Журнал «Автономная энергетика», № 32, 2011
advertisement
Журнал ОАО НАУЧНОПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ “ КВАНТ “ 32 ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ЭКОНОМИКА 2014 В НОМЕРЕ: КОСМИЧЕСКАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА Мельников В.М. ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ (КСЭС) МОЩНОСТЬЮ 1-10 ГВТ НА ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРАХ С СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Скачков А.Ф. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОПЕРЕХОДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОВЫШЕННОЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ. ДОСТИГНУТЫЙ УРОВЕНЬ ВАХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ . . . . . . . . . . . . . . 10 Габбасова С.Б., Гордеев К.Г., Клименко Е.В., Эльман В.О. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НА АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ . . . . . . . . . . . . . . 13 НАЗЕМНАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА Ахмедов Ф.А. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАЗЕМНОЙ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ . . . . 19 Стребков Д.С., Поляков В.И. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . 25 Румянцев В.Д., Андреев В.М., Ащеулов Ю.В., Давидюк Н.Ю., Ларионов В.Р., Малевский Д.А., Покровский П.В., Садчиков Н.А., Чекалин А.В. НАЗЕМНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ КАСКАДНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И КОНЦЕНТРАТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА Лихоносов C.Д., Попов В.А., Кулыга В.П., Каллут Ю.В., Пачуев А.В. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Денискин А.Г. РЕЗЕРВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ Симкин А. В., Бирюков А. В., Репников Н. И., Ховайло В.В. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ БАТАРЕИ С ПОВЫШЕННОЙ НАДЁЖНОСТЬЮ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 ЭКОНОМИКА Кукшин А.И., Панферов В.И., Бочкарев М.В. ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ PLM-ТЕХНОЛОГИЙ . . . . . . . . 58 Доклады конференции будут опубликованы в 32 - 34 номерах журнала С журналом можно ознакомиться в интернете: npp-kvant.ru ISSN 0868-8605 Автономная энергетика: технический прогресс и экономика № 32, 2014 г. Регистрационный номер издания 304 от 28.09.1990 г. Главный редактор ▼ А.В. Некрасов, к.э.н. Редакционная коллегия: ▼ С.К. Бычковский, к.т.н. М.Б. Каган, д.т.н. В.А. Ковалёв М.П. Кондрашова (зам. гл. редактора) А.Ф. Милованов, к.ф-м.н. Б.В. Спорышев, к.т.н. Е.А. Тейшев, к.т.н. Т.А. Тышецкий Научный редактор А.Н. Федоровский (к.ф-м.н.) Редактирование, техническое редактирование, компьютерная верстка М.П. Кондрашова © «Автономная энергетика: технический прогресс и экономика 2 КОСМИЧЕСКАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ (КСЭС) МОЩНОСТЬЮ 1-10 ГВТ НА ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРАХ С СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКОЙ В.М. Мельников, д.т.н. ФГУП ЦНИИмаш, г. Королёв • К числу насущных стратегических задач, стоящих перед страной в настоящее время, относятся: - беспроводное энергообеспечение стратегически важных наземных, воздушных и космических объектов; - ускоренное развитие высокоинформативных систем телекоммуникаций (3G, 4G) в северных и других труднодоступных регионах; - обеспечение безопасности специальных (особых) объектов (типа наземных и плавучих АЭС, плавучих газовых и нефтяных платформ, трубопроводов и проч.). Путями решения этих задач являются комплексы информационно-силовой беспроводной передачи энергии [1] стратосферного и космического базирования с использованием спутниковой сети, авиации, аэростатов и дирижаблей (рис. 1, 2). Рис. 1. Многоступенчатая наземно-аэростатная система передачи энергии. В настоящее время в России и ряде промышленно развитых стран (США, Японии, Франции, Германии, Италии, Австрии) ведутся работы в области беспроводной энергетики, ключевым звеном которой является передача энергии на значительные расстояния в атмосфере Земли и космическом пространстве с помощью сфокусированных пучков электромагнитного излучения в СВЧ и лазерном 3 диапазонах. В зависимости от расположения источника и приемника излучения возможны различные варианты систем беспроводной энергетики: «Земля-Земля», «Космос-Земля», «Космос-Космос», «Земля-Космос-Земля». В варианте «Земля-Земля» лазерные системы передачи энергии (ЛСПЭ) могут иметь наземное, морское, воздушное (на самолёте или аэростате) базирование. Создание ЛСПЭ большой дальности действия при наземном базировании сопряжено со многими проблемами (состояние атмосферы, погодные условия). Вместе с тем такое размещение экономически целесообразно для организации исследовательских и демонстрационных экспериментов. Перспективно создание стратосферного базирования на дирижаблях длительного барражирования с зеркалами-ретрансляторами лазерного излучения. На высоте свыше 20 км уменьшается влияние облачности, осадков и других явлений низких слоёв атмосферы. При этом по сравнению с космическим базированием, сохраняется возможность доработки и ремонта систем, что важно на этапах их натурной отработки. Поэтому воздушные, в том числе стратосферные ЛСПЭ должны стать трамплином для создания космических лазерных систем передачи энергии. Представленная на рис. 1 наземно-аэростатная система функционирует следующим образом: наземная электростанция питает аэростат либо мощным лазерным или СВЧ пучком, либо с помощью трос-кабеля с волоконными световодами. В случае лазерного или СВЧ лучей высотный дирижабль оснащается опорным источником для высокоточного наведения, контроля и коррекции атмосферных искажений. Также дирижабль оснащается системой ретрансляции излучения, позволяющей направить излучение на различные воздушные или космические потребители энергии, оснащённые фотоэлектрическими панелями, преобразующими лазерное излучение в электрический ток. Наведение луча на центр панели осуществляется оптико-электронной системой по опорному сигналу. Максимальная дальность однопролётной стратосферной магистрали составляет до 750 км. Максимальная передаваемая мощность в настоящее время оценивается в 10 МВт при диаметре лазерного луча 2 - 10 м, в диапазоне длины волн излучения 0,8 - 0,9 мкм, 1,06 - 1,15 мкм или 1,315 мкм. Эффективность преобразования лазерной энергии в электрическую равна 30 %, а потери в магистрали на высоте порядка 20 км не более 0,1 дБ. Аппаратное управление КЛЭО может осуществляться по наземным и космическим каналам связи в оптическом или радио диапазоне. Рис. 2. Передача энергии из космоса на Землю. В варианте «Космос-Земля» (см. рис. 2) проводится передача энергии из космоса на Землю с целью энергоснабжения наземных объектов, что позволяет наиболее полно 4 использовать энергетический потенциал космического пространства (солнечная энергия). Экологическая опасность космических солнечных электростанций (КСЭС) большой мощности, рассматриваемая в сравнении с опасностью от ядерных, тепловых и гидроэлектростанций, оказывается значительно меньшей. Чернобыль и Фукусима ярко продемонстрировали катастрофические последствия аварий на АЭС. Тепловое воздействие на окружающую среду от тепловых электростанций по всему миру составляет величину порядка 10 ТВт, что уже привело к дестабилизации погоды. Их эксплуатация сопровождается выбросами серы, сурьмы, мышьяка, тяжёлых металлов и других ядовитых соединений, приведших к заметной потере плодородия почв России. Гидроэлектростанции перегораживанием рек и затоплением больших территорий, наносят непоправимый ущерб сельскому и рыбному хозяйству. Переводом наземной энергетики на КСЭС все эти проблемы устраняются. Помимо альтернативы тепловым, атомным и гидроэлектростанциям, появляются новые возможности использования КСЭС: энергоснабжение удалённых и труднодоступных районов при отсутствии необходимой кабельной сети (районы Крайнего Севера России, Канады, Гренландии, горные районы, пустыни, места стихийных бедствий и катастроф); решение проблемы пиковых нагрузок; зарубежные поставки; новые подходы к стратегии и тактике оборонных задач; решение проблемы астероидной опасности; энергоснабжение Луны, Марса и других космических тел, а также космических аппаратов. Актуальность проблемы показало падение астероида в Челябинске. Оценки показывают, что воздействие лазерного излучения от КСЭС мощностью 1 ГВт = 109 Вт на астероид массой 109 кг = 106 тонн сообщит ему -3 2 ускорение порядка 10 м/сек , что при длительном воздействии может существенно изменить его траекторию. В проблеме передачи информации аналогичные системы могут значительно превысить возможности существующих систем (30 Гбит/c). Рис. 3. Возможность дополнительного энергоснабжения МКС лазерным лучом, питаемым центробежной солнечной батареей. Вариант «Космос-Космос» может реализовать принципиально новую концепцию энергоснабжения КА. В отличие от современной энергетики, основанной на автономной бортовой энергоустановке КА, возможен переход к концепции централизованного энергоснабжения большого числа КА в космосе от единого энергетического центра или нескольких центров, что даёт определённые преимущества и новые возможности [2] (рис. 3). 5 В варианте «Земля-Космос-Земля» целесообразно использование орбитальных отражателей, подобно тому, как организованы современные глобальные телекоммуникационные системы. Наиболее энергоёмкими космическими объектами к 2030 г. в космонавтике могут стать КСЭС мощностью 1 - 10 ГВт, транслирующие электроэнергию на Землю. Создание КСЭС может определять темп развития космической техники, способствовать решению социальных и политических задач, а также обеспечивать энергетическую, экологическую и оборонную безопасность страны. В США такие крупнейшие корпорации и научные центры, как «ЛокхидМартин», «Боинг», JPL, «Центр Маршалла», «Центр Гленна», а также ряд университетов, планируют создать КСЭС гигаваттного уровня к 2016 г. для начала формирования рынка «космического электричества». В этом рынке намерен участвовать Китай. Пентагон, как наибольший потребитель электроэнергии в США, активно рассматривает широкие возможности использования КСЭС в интересах министерства обороны США [3]. Схема КСЭС США представлена на рис. 4 [4]. На ней шестигранные концентраторы с характерным размером 2,5 км через поворотные зеркала концентрируют солнечный свет на площадку диаметром 500 м с совмещёнными солнечными батареями, СВЧ преобразователем и антенной. Проблемами являются сборка пятикилометрового каркаса и обеспечение точности ориентации на Солнце не менее 1,5о, а также обеспечение метеоритной безопасности каркаса. Рис. 4. Схема КСЭС США. Группа японских корпораций во главе с Mitsubishi Corporation планирует построить КСЭС гигаваттного уровня, схема которой представлена на рис. 5 [5], к 2025 г. в рамках проекта Solarbird. Жёсткая площадка (единичный модуль) с солнечными батареями, СВЧ преобразователями и антенной со стороной 100м присоединяется тросами длиной 15 км к приборному контейнеру, обеспечивая гравитационную ориентацию системы. Необходимая мощность КСЭС набирается требуемым количеством таких модулей. Проблемным вопросом является метеоритная безопасность 4-х тросов длиной по 15 км в течение срока эксплуатации порядка 10 лет. Общая стоимость КСЭС оценивается в 24 миллиарда долларов. Предполагается, что стоимость вырабатываемого «космического электричества» будет в 6 раз дешевле, чем на японских наземных электростанциях. Первые участники такого рынка, в перспективе значительного подорожания традиционного электричества, будут иметь максимальную прибыль, а традиционные энергоносители (нефть, газ, уголь, уран и др.) начнут обесцениваться. Для России встаёт перспектива обесценивания её природных энергетически ресурсов и потери энергетической безопасности (независимости) в случае, отсутствия разработок, направленных на сохранение паритета. 6 Рис. 5. Схема Японской КСЭС. Подобные разработки в США [4] и Японии [5] ведутся с 90-х годов прошлого века и базируются на СВЧ концепции КСЭС и крупногабаритных каркасных конструкциях (до 5 км). В последние годы возрос интерес к лазерным КСЭС в связи с успехами в разработке инфракрасных полупроводниковых лазеров (длина волны порядка 1 микрона) и волоконных лазеров [6], которые существенно эффективнее СВЧ метода. В них КПД преобразования электроэнергии в инфракрасный лазерный сигнал до 80 %; значительно снижается расходимость (10-6 рад) лазерного луча по сравнению с СВЧсигналом (с геостационарной орбиты на Землю лазер даёт пятно 36м, СВЧ 15-20 км). Реальные достижения в миниатюризации элементной базы позволяют по световоду диаметром 250 микрон передавать световую мощность 25 кВт. Хотя Российские производители волоконной техники сейчас занимают ведущие позиции в мире (85 % мирового производства волоконной оптики), элементная база по СВЧ технике для КСЭС в России отсутствует, как и производство ФЭП для солнечных батарей. Рис. 6. Центробежная КСЭС. Россия имеет уникальный опыт (на уровне отработки в космосе) создания центробежных бескаркасных конструкций как базы КСЭС. Центробежные конструкции имеют ряд существенных преимуществ перед каркасными аналогами, в основном из-за отсутствия жёсткого каркаса [7] (см. рис. 3, 6). На рис. 6 представлена схема центробежной КСЭС, которая имеет малую чувствительность к метеоритной опасности и ориентации (до 15 - 20о). Возможны две концепции создания центробежных КСЭС с лазерным каналом. 1) Использование бескаркасных центробежных солнечных батарей, запитывающих 7 распределённые по их поверхности твёрдотельные ИК лазеры, передающие далее энергию по световодам к общему центру и, далее, к потребителю; 2) Применение только волоконных лазеров с солнечной накачкой, что перспективнее, поскольку не требует солнечных батарей. Волоконные лазеры, переживающие период бурного роста, сочетают в себе свойства собственно генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излучения и высокоэффективных световодов. Идея прямой солнечной накачки лазеров космического применения, в том числе волоконных, развивается в ряде зарубежных работ [3, 8]. Необходимы специальные исследования, направленные на повышение их эффективности. Формирование волоконных лазеров в космическом пространстве центробежными силами значительно эффективнее американских и японских аналогов, базирующихся на многокилометровых каркасных конструкциях солнечных батарей и концентраторов, а также СВЧ концепции передачи энергии. Рис. 7. Схема демонстрационного прототипа лазерной КСЭС на мощность 100 кВт. В предлагаемой концепции использования центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой для КСЭС отпадает необходимость в солнечных батареях, производство которых в России практически отсутствует, и жёстком каркасе, составляющем значительную часть стоимости КСЭС. Следует отметить, что даже на Земле такого масштаба каркасные конструкции не создавались и, их создание в космосе проблематично. В [7] приводится конструкция агрегата раскрытия тросовой СНЧ антенны, которая может служить прототипом системы раскрытия центробежных волоконных лазеров. Агрегат центробежного раскрытия может обеспечить как раскрытие первоначально плотно намотанной на катушку системы волоконных лазеров во вращающуюся круговую плоскость требуемых размеров (1 - 5 км), так и обратное свёртывание системы при необходимости изменения её дислокации или утилизации. Представляется целесообразным осуществить на первом этапе создание демонстрационного прототипа КСЭС мощностью до 100 кВт [9]. Возможная схема такой электростанции показана на рис. 7. После реализации этого проекта будут получены следующие результаты: 8 ♦ приложение элементной базы современной силовой лазерной техники к задачам КСЭС; ♦ создание ряда инновационных продуктов для наземной энергетики (наземного сегмента КСЭС); ♦ развитие новых технологий, в том числе управления лазерным лучом с помощью пилот-сигнала с ректенны, набор отечественного опыта по их реализации. Использование привязных аэростатов для расположения на них фотоприемных модулей на высоте выше облачности (примерно 2 - 4 км) позволяет построить схему демонстрационной космической электростанции в «гибридном» виде, преобразующим как поток энергии от космического лазерного источника, так и отражённый от Земли. В настоящее время различные производители в России и за рубежом выпускают лазерные установки на волоконных лазерах мощностью до 100 кВт для промышленной обработки металлов (например, резки стали толщиной 100мм). Поскольку даже традиционные способы сварки, пайки, резки, гравировки и упрочнения металлов уступают место лазерным [10], то внедрение лазерной техники в космическую энергетику и информатизацию открывают новые широчайшие перспективы космонавтики. Для России открывается возможность путем создания КСЭС с лазерным каналом передачи энергии от центробежных волоконных лазеров с солнечной накачкой занять лидирующее место в мировом процессе разработки промышленных КСЭС. Литература 1. Сигов А.С., Матюхин В.Ф. Лазерные системы для беспроводной передачи энергии. Альтернативный киловатт. №6, 2012. С.21 - 27. 2. Грибков А.С., Евдокимов Р.А., Легостаев В.П., Синявский В.В., Соколов Б.А.,Тугаенко В.Ю., Черток Б.Е. «Беспроводная передача энергии от космических энергетических систем»//Актуальные проблемы российской космонавтики. Труды ХХХV академических чтений по космонавтике. Москва, 25 - 28 января 2011г., с. 119 - 120. 3. Johnson W. N., Akins K., Armstrong J. at al. Space-based Solar Power: Possible Defense Applications and Opportunities for NRL./ NRL/FR/7650-09-10,179, 101 p. 4. Space-Based Solar Power As an Opportunity for Strategic Security. Phase of Architecture Feasibility Study.// Report to the Director. National Security Space Office. 10 October 2007. 5. S. Sasaki and JAXA Advanced Mission Research Group. SSPS development road map / IAC09.C3.1.4. October 2009. 6. Райкунов Г.Г., Верлан А.А., Мельников В.М., Пичхадзе К.М., Сысоев В.К., Харлов Б.Н. Преимущества космических солнечных электростанций с лазерным каналом передачи энергии. Ж. «Известия РАН» Энергетика № 5, 2012, с. 38 - 47. 7. Райкунов Г.Г., Комков В.А., Мельников В.М., Харлов Б.Н. Центробежные бескаркасные крупногабаритные космические конструкции. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009. 447с. 8. Solar pumping of solid state laser for space mission: a novel approach/ nadia.boetti@polito.it 9. Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Грешилов П.А., Верлан А.А. Солнечные космические электростанции: пути реализации. Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2013, 160 с. 10. Моргунов Ю.А., Панов Д.В., Саушкин Б.П., Саушкин С.Б. Наукоёмкие технологии машиностроительного производства. М.: «Форум», 2013, 925 с. __________________ 9 УДК 621.383 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА МНОГОПЕРЕХОДНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПОВЫШЕННОЙ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ. ДОСТИГНУТЫЙ УРОВЕНЬ ВАХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ А.Ф. Скачков ОАО “Сатурн”, г. Краснодар • Введение Основным видом бортовых энергоустановок на подавляющем большинстве существующих и разрабатываемых в нашей стране и за рубежом космических аппаратов являются солнечные батареи с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями, которые уже более 40 лет успешно обеспечивают решение разнообразных задач космическими средствами. В современных условиях происходит постоянное возрастание электрической мощности, потребляемой бортовыми системами отдельных орбитальных космических аппаратов в связи с расширением круга задач, решаемых космическими средствами, и повышением требований к качеству их выполнения, а также необходимостью увеличения сроков активного существования солнечных батарей дорогостоящих космических аппаратов с целью снижения темпов роста затрат на финансирование космических программ, что приводит к необходимости улучшения эффективности и радиационной стойкости солнечных элементов. Высокоэффективные многопереходные солнечные элементы В настоящее время в космических энергоустановках в качестве фотопреобразователей широко применяются трехкаскадные солнечные элементы GaInP/GaAs/Ge. С 2007 года на предприятии ОАО «Сатурн» ведется разработка технологии производства изготовления солнечных элементов, которая включает эпитаксиальное осаждение полупроводниковых слоёв на германиевые подложки для изготовления структуры трехкаскадных солнечных элементов, а также проведение дальнейших постростовых операций. На рис. 1 представлены основные этапы развития технологии производства, напрямую связанной с КПД солнечных элементов. Рис. 1. Увеличение КПД СЭ с развитием технологии производства на предприятии ОАО «Сатурн». 10 В 2011 году была изготовлена первая БС площадью 38 м2, полностью укомплектованная отечественными трехкаскадными фотопреобразователями собственного производства. В последующий период проводились работы по увеличению эффективности фотопреобразования солнечных элементов, и, начиная с 2013 года, в активную фазу перешли работы по повышению радиационной стойкости солнечных элементов. На рис. 2 представлено распределение по эффективности трехкаскадных солнечных элементов. Рис. 2. Распределение по эффективности внутри одной партии солнечных элементов производства ОАО «Сатурн». Солнечные элементы GaInP/GaAs/Ge с повышенной радиационной стойкостью Действие космической радиации на фотопреобразователи приводит к деградации электрических параметров, за счет уменьшения времени жизни и диффузионной длины носителей зарядов. Это обусловлено возникновением дополнительных центров рекомбинации под действием радиации в результате смещения атомов полупроводникового материала в междоузлие [1, 2]. Наибольшей радиационной деградации в структуре солнечного элемента подвержен средний p-n переход GaAs, поскольку он имеет значительную толщину базы ~ 3,5 мкм, и при образовании в результате радиационного воздействия, дефектов кристаллической решетки увеличивается доля носителей, не достигающих области разделения зарядов. В работе [3] была рассмотрена возможность уменьшения толщины базы однокаскадного солнечного элемента GaAs без потери по генерируемому в нем току. Было показано, что использование распределенного брэгговского отражателя позволяет компенсировать потери по току, вызванные увеличением доли прошедшего сквозь элемент излучения. Брэгговский отражатель представляет собой слоистую структуру, в которой показатель преломления материала периодически изменяется в одном пространственном направлении. Брэгговский отражатель в структуре СЭ должен отражать прошедшее сквозь средний элемент GaAs излучение обратно в p-n переход, т. е. обеспечивать максимальное отражение в определенном диапазоне длин волн. Это обеспечивается путем подбора толщин слоев брэгговского отражателя, а также коэффициентов преломления. 11 На рис. 3 представлена спектральная характеристика двух верхних p-n переходов трехкаскадных солнечных элементов при наличии и отсутствии брэгговского отражателя. В сентябре 2012 года проводились предварительные радиационные испытания трехкаскадных солнечных элементов со встроенным брэгговским отражателем, которые продемонстрировали увеличение радиационной стойкости более чем на 11 %, в сравнении с фотопреобразователями без такого отражателя. На рис. 4 приведены результаты предварительных сравнительных испытаний солнечных элементов с брегговским отражателем и без него в зависимости от флюенса электронов. Рис. 3. Внешний квантовый выход верхнего и среднего p-n переходов трехкаскадного СЭ с толщиной базы среднего элемента 1700 нм: 1 - СЭ без брэгговского отражателя, 2 - с внутренним брэгговским отражателем. КПД Коэф. деградации 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 2E+013 2E+014 2E+015 2E+016 Флюенс, эл/см2 Рис. 4. Зависимость коэффициентов относительной деградации КПД СЭ от флюенса электронов с энергией 1 МэВ: 1 - СЭ с брэгговским отражателем, 2 - СЭ без без брэгговского отражателя. В настоящий момент проводятся квалификационные испытания улучшенных трехкаскадных солнечных элементов с брэгговским отражателем и с КПД 28 - 29 %. 12 Также ведутся работы по дальнейшему увеличение эффективности фотопреобразования многокаскадных солнечных элементов. Литература 1. Васильев А.М., Ландсман А. П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. радио, 1971. 246 с. 2. Кулаков В.М., Ладыгин Е.А. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. М.: Сов. радио, 1980. 224 с. 3. Andreev V., Komin V. High-efficiency AlGaAs-GaAs solar cells with internal Bragg reflector. A.F. Ioffe Physsico-Technical Inst., 1994, P. 1894-1897. __________________ УДК 629.78.064 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ НА АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ С.Б. Габбасова, К.Г. Гордеев, к.т.н., Е.В. Клименко, В.О. Эльман, к.т.н. ОАО «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск • ОАО «НПЦ «Полюс» с 1970-х гг. занимается разработкой и изготовлением комплексов автоматики и стабилизации напряжения (КАС) для систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Существенным фактором успешного развития данного научно-технического направления предприятия стало долголетнее плодотворное сотрудничество с ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва» (г. Железногорск), НПО имени С.А. Лавочкина (г. Химки), ГРЦ КБ имени академика В.Н. Макеева (г. Миасс), ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» (г. Самара), ОАО «Сатурн» (г. Краснодар), ОАО «НПП «Квант» (г. Москва). За прошедшие годы в ОАО «НПЦ «Полюс» создано более 20 типов КАС для КА различного назначения: связи и телевещания, дистанционного зондирования Земли, космического мониторинга природной среды, исследования дальнего космоса. Функциональные возможности бортовых систем, эффективность первичных и 13 вторичных источников питания, а также срок активного существования КА во многом определяются структурной схемой СЭП. Основной СЭП, применяемой в разработках ОАО «НПЦ «Полюс», является параллельно-последовательная структура (рис. 1), в которой шины источников энергии и нагрузки разделены между собой преобразующими устройствами (ЗУ, РУ, СН), что дает возможность максимально полно использовать ресурсы первичных и вторичных источников энергии. Эффективность работы СЭП зависит в первую очередь от текущих эксплуатационных характеристик солнечных батарей (СБ), которые во многом определяют как уровень энерговооруженности КА, так и срок его активного существования. В большинстве спутниковых систем США и Западной Европы для регулирования напряжения на нагрузке до сих пор применяются шунтовые ограничители параллельного типа, в которых независимо от режима работы СЭП на шинах СБ поддерживается стабильное напряжение, равное напряжению на нагрузке. Рис. 1. СЭП с параллельнопоследовательным регулированием мощности (параллельно-последовательная структура): СБ - солнечная батарея; ЗУ - зарядное устройство; СН - стабилизатор напряжения; РУ разрядное устройство; Н - нагрузка; АБ - аккумуляторная батарея. С учетом сроков службы современных КА до 10 - 15 лет, а также воздействия факторов космического пространства при проектировании СБ предусматривается запас напряжения с целью обеспечения бортовой нагрузки на конец срока эксплуатации. При его расчете учитываются деградация, а также суточные и сезонные изменения температуры и освещенности СБ. Максимально полное использование возможностей СБ по генерации энергии реализуется с помощью экстремального регулирования её мощности. Впервые эксперимент по такому регулированию был проведен на КА «Фобос» в 1988 г. при перелете к Марсу, что позволило увеличить мощность, генерируемую СБ, на 20 %. СЭП с экстремальным регулятором мощности (ЭРМ) СБ штатно эксплуатировались на геостационарных связных КА «Галс» (1994 г.), «Экспресс» (1996 г.), «Экспресс-А» (2000 г.), «Молния» (2001 г.) [4]. Высокая эффективность режима ЭРМ, подтвержденная летной эксплуатацией, сделала его использование практически стандартным. В настоящее время ЭРМ СБ применяется более чем на 40 КА российской спутниковой группировки: аппаратах навигационной системы «Глонасс», малых космических аппаратах 14Ф132, спутниках дистанционного зондирования Земли «Ресурс-ДК», «Ресурс-П» и др. Суть экстремального регулирования мощности заключается в том, что при изменяющихся условиях эксплуатации рабочее (текущее) напряжение СБ поддерживается с помощью силовых устройств СН и ЗУ на уровне оптимального значения, при котором СБ генерирует максимально возможную в данных условиях мощность [4]. Принцип работы функциональной схемы (рис. 2) поясняется диаграммами (рис. 3, 4). 14 Рис. 2. Функциональная схема СЭП с ЭРМ: С1…С3 - сумматоры; УОН1… УОН3 - усилители сигнала ошибки; К1, К2 - компараторы; ИОН1…ИОН3 - источники опорного напряжения; ГПН - генератор пилообразного напряжения; Н - нагрузка. При экстремальном регулировании используется известный в теории автоматического регулирования шаговый способ поиска экстремума. Алгоритм работы ЭРМ при этом следующий: – вычисляется и запоминается значение мощности, генерируемой СБ; – ЭРМ, воздействуя на силовые преобразующие устройства СЭП, изменяет (увеличивая либо уменьшая) напряжение СБ на некоторое значение; – вычисляется значение мощности, генерируемой СБ при измененном напряжении; – сравниваются запомненное и вновь вычисленное значения мощности СБ. Если в результате изменения напряжения СБ её мощность возросла, то на следующем цикле (шаге) работы ЭРМ напряжение СБ изменяется в прежнем направлении, если, наоборот, уменьшилась – то в противоположном. Таким образом, в каждый момент времени определяется рабочая точка ВАХ (рис. 3), в которой энергия, генерируемая СБ, максимальна, и соответственно происходит воздействие на силовые преобразователи СЭП с целью поддержания напряжения СБ в этой точке. В основу управления СЭП разработок ОАО «НПЦ «Полюс» заложен зонный принцип управлениями силовыми блоками, в соответствии с которым ЭРМ воздействует на систему управления силовыми модулями (СН, ЗУ), обеспечивая смещение рабочей точки. При недостатке мощности СБ рабочая точка смещается от оптимального значения (точка О) в зону стабилизации СН (точка С). Ток заряда АБ при этом отсутствует, стабилизация выходного напряжения обеспечивается стабилизаторами напряжения. При дальнейшем уменьшении мощности СБ либо увеличении мощности нагрузки рабочая точка смещается в диапазон стабилизации РУ, при этом происходит разряд АБ. При избытке мощности СБ положение рабочей точки смещается в зону работы ЗУ (точка В). Выходное напряжение стабилизируется СН, при этом выполняется заряд АБ. 15 Рис. 3. Вольт-амперная и вольт-ваттная характеристики СБ. IЗУ UСБ IСН Диапазон СН не смещается ЗУоткр. ВВ Диапазон стабилизации ЗУ O Зона смещения диапазона СН C Диапазон СН смещен ЗУзакр. ниже диапазона РУ PСБ PР У Смещение диапазона СН U Диапазон стабилизации СН с Диапазон ста- IСБ IС билизации РУ PСБ Б С PС P PСБ Б н опт ПН 4 IСБ С IСБ В Рис. 4. Зонный принцип при экстремальном регулировании с помощью СН и ЗУ. 16 Характеристики СЭП с ЭРМ для КА «Ресурс-ДК1» и для КА спутниковой группировки «Глонасс» (14Ф113 и 14Ф143) представлены ниже: Наименование параметра Диапазон регулирования оптимального напряжения, В Максимальное напряжение холостого хода при минимальной температуре СБ, В Погрешность при отборе максимальной мощности, % Быстродействие по поиску оптимального напряжения СБ, В/с «Ресурс-ДК1» 14Ф113 14Ф143 34 - 50 40 - 65 29,8 - 55 не более 90 145 не более 95 не более 5 Не более 1 не более 0,5 не менее 0,5 Не менее 1 не менее 1 Оценка результатов работы СЭП с ЭРМ показала, что экстремальное регулирование позволяет увеличить отбор энергии от СБ до 15 %. Особенно это проявляется в момент выхода КА из тени, когда температура и освещенность СБ низки и положение точки экстремума мощности значительно отличается от положения рабочей точки, стабилизируемой зарядными устройствами при выключенном ЭРМ, что обеспечивает более эффективное восполнение емкости АБ (рис. 5) [2]. Мощность, 3000 Вт Вкл ЭРМ 2500 Выкл ЭРМ 2000 1500 1000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Время, мин. Рис. 5. График изменения мощности СЭП, поступающей на заряд АБ, при включенном (1) и выключенном (2) ЭРМ. Для малых космических аппаратов метод регулирования мощности СБ имеет ряд особенностей вследствие сложной пространственной архитектуры этих батарей, поскольку из-за экономии массы и высоких требований по минимизации габаритов данные аппараты чаще всего имеют неориентированные СБ, расположенные на корпусе и откидных панелях. Усложнение конструкции приводит к параллельной работе большого количества фотопреобразователей, что обусловливает существенное различие температурных условий их работы. Разброс значений оптимального напряжения Uопт. секций СБ составляет от долей вольта до десятков вольт. Поэтому на суммарной вольт-амперной характеристике, кроме основного экстремума, в котором 17 сосредоточена основная мощность СБ, может быть несколько локальных экстремумов со значительно меньшей мощностью. Основным условием корректной работы шагового ЭРМ является отсутствие таких локальных экстремумов [3]. Если условие единственности экстремума не соблюдается, то ЭРМ может распознавать локальный экстремум как абсолютный, что приведет к отклонению от оптимального режима работы СБ. В настоящее время СЭП с ЭРМ широко применяются как на отечественных, так и на зарубежных КА. В случае неориентированных СБ возможно решить проблемы возникновения локальных экстремумов на суммарной вольт-амперной характеристике посекционным управлением регуляторами напряжения. Подобная архитектура СЭП позволит избежать таких экстремумов и максимально полно использовать мощность всех секций СБ. Использование ЭРМ при небольших аппаратных затратах позволяет получить максимальную эффективность СБ, что подтверждается успешной многолетней летной квалификацией. На сегодняшний день в ОАО «НПЦ «Полюс» продолжаются исследования по поиску оптимальных алгоритмов работы ЭРМ СБ и схемотехнических решений, обеспечивающих повышение эффективности работы ЭРМ для КА с неориентированными СБ. Литература 1. Бортовые системы электропитания искусственных спутников Земли: опыт 35летнего сотрудничества ОАО «ИСС» и ОАО «НПЦ «Полюс» / С. Г. Кочура и др. // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. ХVIII науч.техн. конф. (22 - 23 апр. 2010 г.). Томск, 2010. С. 3 - 4. 2. Комплекс автоматики и стабилизации системы электропитания космического аппарата «Ресурс-ДК1» / К. Г. Гордеев [и др.] // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. Томск, 2011. С. 30 - 36. 3. Эвенов Г. Д., Шаркова Н. В., Почебут Д. В. Оценка эффективности экстремального регулирования мощности солнечных батарей низкоорбитальных космических аппаратов на математической теплофизической модели // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. ХVII науч.-техн. конф. Томск, 2007. С. 37 - 43. 4. Бортовые системы электропитания искусственного спутника Земли с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи / М. В. Нестеришин [и др.] // Космические вехи: сб. науч. статей, посвященных 50-летию создания ОАО «ИСС» им. акад. Решетнева». Красноярск, 2009. C. 175 - 184. 5. Пат. 2168827 Российская Федерация. Экстремальный регулятор мощности солнечной батареи / Гордеев К.Г., Обрусник П.В., Поляков С.А., Шпаковская Г.К. № 2000103242; заявл. 08.02.2000; опубл. 10.06.2001. Бюл. № 16. 6. Пат. 2101831 Российская Федерация. Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи/Гордеев К.Г.,Черданцев С.П., Шиняков Ю.А. № 95119971; заявл. 27. 11. 1995; опубл. 10. 01. 1998. Бюл. № 1. __________________ 18 НАЗЕМНАЯ ФОТОЭНЕРГЕТИКА ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАЗЕМНОЙ ФОТОЭНЕРГЕТИКИ Ф.А. Ахмедов, д.ф-м.н. ОАО «НПП «Квант», г. Москва • В настоящее время около 90 % промышленного производства фотопреобразователей наземного применения приходится на элементы на основе кристаллического кремния (рис. 1). Однако эффективность преобразования кремниевых элементов остается еще низкой и поэтому много внимания уделяется на разработку технологий, позволяющих, с одной стороны поднять эффективность преобразования, с другой найти решения кардинального повышения КПД преобразования энергии излучения Солнца используя новые физические явления. В настоящее время в массовом производстве используются три вида структур. Доли технологий в мировом производстве СЭ, % Тонкопленочные СЭ на основе аморфного кремния 4,65% Кремниевые ленты (ribbon) 2,60% Тонкопленочные СЭ на кадмийтеллуровой основе 2,65% Тонкопленочные СЭ на основе медноиридиевого диселенида 0,20% Мультикристалличе ский кремний 46,50% Монокристаллически й кремний 43,40% Рис. 1. 1. Структуры с селективным эмиттером и пассивацией поверхности двухслойным покрытием Уменьшение глубины залегания р-п перехода, которое позволяет существенно увеличить коротковолновую чувствительность элемента и поднять КПД преобразования, создало проблемы с получением хорошего контакта к таким тонким слоям при массовом производстве. Её удалось решить методом углубления р-п перехода на местах контактной металлизации (селективности эмиттера) (рис. 2). При этом КПД промышленно изготовляемых элементов вырос до 19 % за счет доведения слоевого сопротивления до 100 ом/□ и улучшения степени пассивации поверхности. В настоящее время КПД элементов с селективным эмиттером и двухслойной пассивацией поверхности в массовом производстве достиг ~ 20 %. 2. Солнечные элементы с п-типом базы Структура солнечного элемента с п-типом базы давно привлекает внимание исследователей благодаря времени жизни неосновных носителей заряда в таком материале и отсутствию комплексов бор-кислород, приводящих к начальной деградации параметров элемента под воздействием света. На основе п-типа материала изготавливаются также солнечные элементы с контактами на тыльной стороне (рис. 3), КПД которых находится в пределах 21 - 23 %. 19 3. Солнечные элементы на основе гетеропереходов кремний - аморфный кремний (Si-а-Si) Солнечные элементы на основе гетеропереходов Si-а-Si (рис. 4) выделяются среди прочих, прежде всего высоким КПД (~ 24 % − Sanyo Electric Co., Panasonic). Кроме этого они имеют отличные значения температурного коэффициента мощности и обеспечивают потенциальную возможность использования тонких (~ 80 - 100 мкм) пластин. Структура элемента, состоящая из n+-а-Si-n-c-Si-p-а-Si слоев, создается при температурах ниже 200о С, причем переход на p-а-Si на фронтальной и на n+-а-Si на тыльной поверхностях осуществляется через тонкий i слой собственной проводимости а-Si. Благодаря наличию сверхтонкого i слоя а-Si на границе гетероперехода было получено рекордно высокое напряжение холостого хода ~ 0,750 В. Рис. 2. SiNx n-Si p-Si SiO2 Al SiNx Рис. 3. i /p-a-Si i/n-a-Si Рис. 4. Ресурс этих структур по повышению эффективности преобразования солнечного излучения еще не исчерпан. В настоящее время стоит задача по созданию технологии промышленного производства кремниевых солнечных элементов (СЭ) с КПД ~ 25 %. Теперь остановимся о некоторых направлениях исследований по повышению КПД. Известно, что ограничение КПД полупроводниковым СЭ связано как с фундаментальными потерями, так и потерями мощности, связанными со световыми, рекомбинационными и омическими потерями. К фундаментальным потерям относятся: - 1) потери мощности за счет излучений, с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны полупроводника (Еg), кванты которых пролетают сквозь полупроводник без поглощения. - 2) потери мощности связанные с генерацией «горячих» носителей тока, когда при поглощении кванта излучения с энергией больше Еg материала световая энергия передается валентному электрону, который первоначально окажется высоко в зоне проводимости (станет горячим электроном), а затем, взаимодействуя с атомами кристалла, теряет «избыточную» энергию до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой решетки и он не окажется на дне зоны проводимости. Разница между первоначальной энергией и энергией «остывшего» электрона и есть потери на «горячих электронах». 20 - 3) термодинамические потери − это: а) потери связанные с невозможностью преобразования в СЭ кинетической энергии электрона, которая в реальных условиях будет тем выше энергии «дна» зоны проводимости, чем выше температура. Величина этих потерь равна 3/2 кТс, где к – постоянная Больцмана, Тс – температура; б) потери связанные со снижением напряжения холостого хода элемента (Voc) с температурой. При максимальном фотовозбуждении Voc элемента становится равным контактной разности потенциалов, которая по своему значению при абсолютном нуле равна Еg материала. При однократном освещении напряжение холостого хода будет расти с уменьшением и снижаться с повышением температуры кристалла. Эти термодинамические потери уменьшаются с понижением температуры и исчезают при температуре абсолютного нуля. Термодинамические потери по своему значению не значительны по сравнению с потерями с потерями за счет низкоэнергетических квантов и потерями за счет генерации «горячих» носителей тока. Они связаны с Еg полупроводника. Чем меньше Еg, тем больше квантов поглощается в данном материале. Но при этом растет количество квантов, у которых энергия будет выше, чем Еg, т.е. будут расти потери, связанные с генерацией горячих носителей тока. Поэтому у зависимости эффективности преобразования солнечного излучения от Еg материала имеется максимум, за пределами которого эффективность уменьшается как при больших Еg, так и при меньших Еg. Этот максимум соответствует Еg = 1,32 эв, при этом значение максимальной эффективности равно 31 %, которое снижается при Еg, отличной от указанного значения. Так, СЭ на основе кремния, имеющего Еg равную 1,12 эв, будет иметь предельный теоретический КПД, равный 29,7 %. На рис. 5 показан процесс формирования фотоэлектронов в элементе с р-п переходом, где нижняя заштрихованная часть это валентная зона, а верхняя заштрихованная часть − зона проводимости. При освещении такой структуры кванты излучений с энергиями hν ≤ Еg пролетят СЭ без поглощения и не внесут вклад в генерацию электрической мощности. Кванты излучений с энергией hν = Еg проникают в кристалл глубже и могут передать свою энергию валентному электрону, переходящему на дно зоны проводимости (переход 1), после чего он может свободно перемещаться по кристаллу и участвовать в генерации электрической мощности. Кванты излучений с энергиями hν ≥ Еg, проникают в кристалл в меньшую глубину и переводят валентные электроны на более высокие уровни зоны проводимости (переходы 2, 3, 4). Чем больше энергия кванта, тем выше от «дна» зоны проводимости окажется этот электрон. Он может находиться на этом уровне очень короткое время и, передав свою «лишнюю» энергию (ΔЕс) кристаллической решетке, окажется на «дне» зоны проводимости, после чего, может перемещаться по кристаллу и участвовать в генерации электрической мощности. Такие «горячие» носители заряда могут перейти в устойчивое состояние только в результате передачи части своей энергии решетке. Поэтому в СЭ часть энергии светового излучения преобразуется в электрическую энергию, а часть, связанная с генерацией горячих носителей, повышает температуру кристалла. Уменьшение этих потерь возможно при каскадном соединении нескольких СЭ на основе материалов с разной шириной запрещенной зоны (рис. 6). Они позволяют, с одной стороны, расширить спектр поглощения в длинноволновую область за счет узкозонных материалов, с другой стороны уменьшить потери, связанные с генерацией «горячих» носителей заряда. Уменьшение этих потерь происходит за счет «разделения» (образно) спектра излучения Солнца на «полосы» и преобразования энергии квантов, из каждой этих полос СЭ с соответствующей Еg. Чем больше число каскадов, тем меньше ширина «полосы» и разница между энергией кванта из «полосы» и Еg соответствую- 21 щего элемента каскада. При этом снижаются потери мощности из-за «термализации» «горячих» носителей заряда. Однако каскадные СЭ не решают проблему с потерями, связанными с генерацией «горячих» носителей заряда. Кроме того, создание многокаскадной структуры СЭ сопряжено как с материаловедческими, так и технологическими проблемами. Рис. 5. Рис. 6. Поэтому разработаны структуры элементов с одним р-п переходом, эффективность которых может оказаться выше, чем у стандартных однопереходных СЭ. К таким элементам можно отнести: 1) элементы с промежуточной зоной в запрещенной зоне (intermediate band), 2) элементы с ударной ионизацией, и 3) элементы с горячими носителями тока. В ходе исследований возможности создания элементов с промежуточной зоны. Киверс и Грин в 1994 году пересмотрели теорию Шокли-Рида-Холла с учетом фотогенерации с примесного центра и поглощением кванта излучения и, применив её к кремнию, легированному In, который является глубоким центром, предсказали возможность увеличения эффективности в абсолютном значении на 1 - 2 %. Непременным условием для промежуточных состояний является то, чтобы они вели себя как центры излучения при рекомбинации носителей (рис. 7). В качестве промежуточных состояний в запрещенной зоне в базе могут использоваться квантовые точки (рис. 8). В основе концепции элементов с множественной генерацией лежит рассмотрение возможности поглощения фотона с энергией превышающей Eg в два, три раза и генерации двух или трех электронно-дырочных пар (рис. 9). Если в обычных элементах в этом случае часть энергии, превышающей Eg, теряется на нагрев кристалла, в элементах с ударной ионизацией имеется возможность получения больше одной электронно-дырочной пары при поглощении одного фотона. Это происходит следующим образом: поглощаемый высокоэнергетический квант создает высокоэнергетический носитель (например, электрон), который затем, релаксируя ко дну зоны проводимости, может свою энергию передать электрону в валентной зоне. Если она будет больше чем Eg, то возникнет вероятность генерации еще одного электрона в зону проводимости (рис. 9). Однако в реальных кристаллах такой переход маловероятен изза многочисленных соударений горячего электрона с примесями и другими нарушениями кристаллической решетки. В результате первоначальная энергия будет растрачиваться на нагрев кристалла и остаточной энергии первичного электрона будет не достаточно для перевода валентного электрона в зону проводимости. Число соударений горячего носителя по пути ко дну зоны проводимости определяет его длину 22 свободного пробега в данном кристалле. Чем совершеннее кристалл и чем меньше в ней примесей, тем больше будет длина свободного пробега и больше вероятность сохранения первоначальной энергии для генерации еще одного валентного электрона в зону проводимости. Рис. 7. Рис. 8. Рис. 9. Для уменьшения потерь при соударениях и сохранении первоначальной энергии возбужденного электрона предлагается использовать варизонный кристалл, электрическое поле которого будет ускорять носитель заряда по мере его движения из широкозонной части в узкозонную часть кристалла (рис. 10). При электрических полях кристаллической решетки, достаточных для компенсации потерь в соударениях, появляется возможность удвоения квантовой эффективности для фотонов с энергией 2Eg и более. Рис. 10. Q2 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Рис. 11. Serie s1 0 EgSi EσGaP… Рис. 12. Рис. 13. 23 Рис. 14. Рис. 15. Предлагается также создание гетеропереходного элемента на основе n GaP – p Si (рис. 11), особенностью которого является наличие разрывов зон при контакте этих материалов. При этом ширина разрыва валентной зоны равна 1,45 эв, что больше чем ширина запрещенной зоны кремния. При резком р-п переходе создаются условия, при котором возбужденная в GaP «дырка», падая с энергетической высоты равной 1,45 эв, может передать эту энергию валентному электрону в кремнии, которому для перехода в зону проводимости достаточно энергии 1,12 эв, т.е. Eg Si. Таким образом, возможно удвоение квантовой эффективности для фотонов, энергия которых > Eg фосфида галлия (рис. 12). В элементах с горячими носителями тока высокоэнергетический фотон генерирует электронно-дырочную пару с большой энергией, которую затем надо разделить для получения тока. Для такого элемента нужны специальные контакты, позволяющие изоэнтропически охладить горячие носители и сохранить их электрохимический потенциал (рис. 13). Для создания таких контактов в 2003 году было предложено использовать туннельно резонансные структуры с квантовыми точками. Резонансное туннелирование через слой с квантовыми точками − это транспортировка потока тока через узкую щель энергии, позволяющая сохранить энергию частицы (рис. 14). Зависимость эффективности преобразования солнечного элемента с горячими носителями тока от ширины запрещенной зоны материала показывает, что максимум эффективности сдвигается в сторону меньших значений Е g (рис. 15), так как с уменьшением Еg растет и доля квантов, поглощаемых этим материалом. Теоретические расчеты показывают, что КПД СЭ, основанных на экстракции горячих носителей, тока больше эффективности шестикаскадного преобразователя. Таким образом, используя новые физические явления в структурах СЭ, можно достичь достаточно высоких значений КПД преобразования солнечного излучения. Другим фактором привлекательности таких структур является относительная простота технологических приемов по сравнению с технологией формирования 5 или 6 каскадных элементов. __________________ 24 УДК 621.383 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ Д.С. Стребков, д.т.н., В.И. Поляков, к.т.н. Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, г. Москва • Введение Научные организации и фирмы во многих странах мира разрабатывают кремниевые солнечные модули (СМ) третьего поколения с КПД 25 % и более, пригодные для крупномасштабного промышленного производства. Планарные солнечные элементы и модули из кремния с КПД до 25 % разработал профессор Мартин Грин из университета New South Wales (Австралия) [1], однако они не производятся из-за сложной и дорогой технологии их изготовления. В промышленных масштабах выпускаются планарные СМ с КПД 20 % фирмой "Sun Power" (США), которые находят ограниченное применение из-за их высокой стоимости. Все известные планарные СМ из кремния не используют при концентрированном солнечном освещении из-за резкого снижения КПД с ростом освещенности. В настоящее время все заводы в России и за рубежом производят СМ из кремния с КПД 15 - 18 %. Для СМ с КПД более 25 % в массовом производстве нужны новые физические принципы, новые конструкции и технологии СМ. До настоящего времени считалось, что р-n переход играет ключевую роль в преобразовании солнечного излучения и его площадь должна соответствовать площади СМ. Однако у р-n перехода есть и отрицательные свойства. В нем имеются рекомбинационные потери. Через р-n переход протекает темновой ток насыщения, приводящий к снижению фото-э.д.с. Легированный слой над его плоскостью имеет большое сопротивление растекания, что увеличивает омические потери, особенно при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Легированный слой поглощает коротковолновую часть солнечного излучения, а его вклад в фототок очень мал из-за рекомбинации носителей заряда на дефектах кристаллической структуры и примесных центрах в сильно легированном полупроводнике. Мы предложили разделить пространственно освещаемые поверхности СМ на области генерации носителей заряда и области с р-n переходом, ответственные за разделение и собирание носителей. При этом площадь легированного слоя, р-n перехода и р-р+ перехода на освещаемых поверхностях снижена более чем в 50 раз, а 99% площади поверхности отведено для генерации электронно-дырочных пар при прямом взаимодействии квантов солнечного излучения с базовой областью СМ. В 1967 г. мы разработали и испытали высоковольтные солнечные модули (ВСМ) первого поколения [2], выполненные в виде кремниевой твердотельной матрицы из скоммутированных последовательно или параллельно микроэлементов с вертикальными р-n переходами. Плотность микроэлементов на рабочей поверхности ВСМ составляла 25 см-2 и КПД 1 - 2 % при интенсивности освещения 7700 кВт/м2. В 1970 г. технология ионной имплантации была использована для создания ВСМ второго поколения с КПД 10 % при освещенности 2,5 кВт/м2. Плотность микроэлементов была увеличена в 10 раз до 250 см-2, и ВСМ площадью 4 см2 имел напряжение 400 В [3]. Солнечная батарея из ВСМ площадью 1 м2 с напряжением 32 кВ Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ грант 10-08-07044-д. 25 была разработана и испытана в 1972 г. Солнечный модуль размером 40100 мм с рабочим напряжением 28 В был установлен на межпланетной станции "Венера-70" и успешно прошел испытания. КПД 36 % и электрическая мощность 3,6 кВт/см 2 были получены при освещении ВСМ импульсным ниодимовым лазером при интенсивности освещения 10 кВт/см2. За рубежом наиболее известными по данной тематике являются работы D.L. Sater [4, 5], который разработал экспериментальные образцы ВСM с КПД 20 % при освещенности 2500 кВт/м2. Целью данной работы является создание и исследование высокоэффективных высоковольтных солнечных модулей третьего поколения на основе монокристаллического кремния с рабочим напряжением до 800 В и с КПД 20 % при концентрированном солнечном излучении. Высоковольтные солнечные модули третьего поколения Высоковольтный солнечный модуль с двухсторонней рабочей поверхностью выполнен в виде матрицы из скоммутированных миниатюрных солнечных элементов (микроСЭ), у которых один или два линейных размера соизмеримы с диффузионной длиной неосновных носителей тока в базовой области, а плоскости р-n переходов перпендикулярны рабочей поверхности ВСМ (рис. 1). На рис. 1 ВСМ состоит из миниатюрных солнечных элементов 1, содержащих р-n переходы 2, изотопные переходы 3, базовую область 4 n-типа и легированный изотопный р+ слой 5, внешние металлические контакты 6, внутренние металлические контакты 7, пассивирующую пленку 8, просветляющее покрытие 9 на рабочей поверхности 10, перпендикулярно которой расположены р-n переходы 2. Пассивирующая пленка 8 толщиной 10 - 30 нм расположена на свободной от n-р переходов поверхности 10. 9 8 6 10 7 5 2 3 4 Рис. 1. Высоковольтный солнечный модуль на основе монокристаллического кремния. 1 В работе использовали упрощенную модель ВСМ, в которой антиотражающее покрытие 9, расположенное на рабочей поверхности, отсутствует. Исследование высоковольтных солнечных модулей при солнечном освещении и концентрированном излучении Измерение величины солнечной радиации производилось с помощью актинометра и пиранометра. В лабораторных условиях при концентрированном освещении характеристики ВСМ измеряли на импульсном имитаторе. В качестве осветителя в имитаторе использовали ксеноновую лампу-вспышку, спектр излучения которой близок к спектру излучения Солнца, длительностью вспышки около 5 мс. Переменная электронная нагрузка обеспечивает измерение вольтамперной характеристики (ВАХ) за время от 2 до 5 мс при снятии от 6 тыс. до 16 тыс. пар значений ток-напряжение с одновременной регистрацией интенсивности излучения. 26 Измерения проводили с помощью запоминающего осциллографа ОЦЗС-02-6, затем данные обрабатывали с помощью разработанной для него программы VAX. a) а) Рис. 2. Секция высоковольтного солнечного модуля (а) и с радиатором воздушного охлаждения (б). б) При совершенствовании технологии изготовления ВСМ основные усилия были направлены на снижение скорости поверхностной рекомбинации за счет пассивации двух рабочих поверхностей ВСМ, что увеличило фототок, электрическую мощность и КПД. Рис. 3. Вольтамперные характеристики ВСМ размером 10х60х0,4 мм: 1' - освещенность 102 кВт/м2, КПД 24 %; 1'' - 493 кВт/м2, КПД 20 %; 2 - ВАХ планарного солнечного модуля размером 1,2 х 0,54 м при освещенности 1 кВт/м 2, КПД 12 %. На рис. 2-а показана секция ВСМ с размером 10600,4 мм в оболочке из стекла, содержащая 25 микроэлементов, где общая ширина контактов всех солнечных фотоэлектрических микроэлементов на рабочей поверхности составила 150 мкм. На рис. 2-б секция ВСМ установлена на радиаторе. На рис. 3 представлены ВАХ и ВСМ размером 10600,4 мм с радиатором воздушного охлаждения при различной освещенности, на рис. 4 – зависимость КПД от интенсивности излучения при освещении импульсной ксеноновой лампой [9 - 10]. 27 При концентрированном импульсном излучении с плотностью потока 102,5 кВт/м2 КПД ВСМ площадью 6 см2 составил 24 %, рабочее напряжение 16,3 В, рабочий ток 0,9 А, фото-э.д.с. 19 В (кривая 1). Ток короткого замыкания (к.з.) ВСМ линейно увеличивается с ростом освещенности, растет коэффициент заполнения, напряжение увеличивается в 1,3-1,4 раза, что приводит к увеличению КПД до 24 % при освещенности 102,5 кВт/м2. Электрическая мощность 59,16 Вт получена при освещенности 493 кВт/м2 при КПД ВСМ 20 % (рис. 3, кривая 1). Рис. 4. Зависимость КПД ВСМ от интенсивности излучения. Размеры ВСМ 10 60 0,4 мм. Таким образом, ВСМ на рис. 2 площадью 6 см2 при интенсивности излучения 493 кВт/м2 имеет электрическую мощность 60 Вт, рабочее напряжение 15 В и ток 4 А, равный пиковой мощности, напряжению и току традиционного фотоэлектрического модуля на основе планарных кремниевых СЭ при стандартной освещенности 1 кВт/м2 и температуре 25о С. При этом площадь традиционного модуля почти в 1000 раз больше площади ВСМ третьего поколения, что соответствует практически 1000-кратному сокращению расхода кремния на единицу мощности. а) б) Рис. 5. Высоковольтные солнечные модули с размерами 400 60 0,4 мм в оболочке из стекла, содержащие 11 секций размером 60 35 мм (а) и 40 секций размером 60 10 мм (б). Рис. 6. Вольтамперная характеристика ВСМ из 40 секций при солнечном освещении 1 кВт/м2. На рис. 5 показан общий вид двух типов высоковольтных солнечных модулей размером 400 60 0,4 мм в оболочке из стекла, а на рис. 6 ВАХ ВСМ (рис. 5-б) при солнечном освещении 1 кВт/м2. 28 Рабочее напряжение этого ВСМ составило 500 В, рабочий ток 7 мА, рабочая мощность 3,5 Вт, КПД 14,58 %. На рис. 7 представлена ВАХ одной секции ВСМ размером 60 10 мм, содержащая 33 микроэлемента, снятая при освещении импульсным имитатором с освещенностью 51,783 кВт/м2. ВСМ состоит из 40 последовательно соединенных секций размерами 60 10 мм. Суммируя ВАХ всех секций, можно рассчитать параметры ВАХ ВСМ размером 400 60 мм при освещенности 51,783 кВт/м2. Его ток к.з. составляет 337,1 мА, фотоэ.д.с. 959 В, рабочее напряжение 840 В, коэффициент заполнения 0,784, рабочий ток 0,3 А, оптимальная мощность 252 Вт, КПД 20, 42 %. Последовательная коммутация 595 ВСМ в солнечной электростанции позволит получить выходное напряжение 500 кВ при электрической мощности 157 кВт. Дальнейшее увеличение мощности можно получить при параллельном соединении ВСМ. Рис. 7. Вольтамперная характеристика секции ВСМС с 33 микроэлементами при освещенности 51,783 кВт/м2. Площадь секции 6 см2. а) б) Рис. 8. Концентраторные модули параболоцилиндрического (а) и параболоидного (б) типа с равномерным освещением фотоприемника на основе ВСМ. Для фотоприемников на основе ВСМ разработаны оригинальные солнечные концентраторы параболоцилиндрического и параболоидного типа (рис. 8), профиль поверхности которых обеспечивает равномерное освещение поверхности фотоприёмника. 29 При использовании солнечных установок с концентраторами следует отметить такие положительные аспекты, как экономия кремния солнечного качества, получение вместе с электроэнергией и тепловой энергии, так что общая стоимость установленной мощности снижается за счёт суммирования этих составляющих. Учитывается влияние косинусного эффекта, которому подвержены установки, не оснащённые системой слежения за Солнцем, что приводит к повышению генерируемой энергии на 25 - 30 % в сравнении со стационарными модулями без слежения. Сравнение характеристик планарных и высоковольтных солнечных модулей Сравнение характеристик планарных и высоковольтных солнечных модулей из монокристаллического кремния представлено в табл. 1. Таблица 1 Сравнение характеристик планарных и высоковольтных СМ Параметр Напряжение, В Срок службы, лет Средний КПД при солнечном излучении 1 кВт/м2, спектре АМ 1,5 и температуре 25° С, % КПД при концентрированном солнечном излучении 100 кВт/м2, спектре АМ 1,5 и температуре 25° С, % Высоковольтный солнечный модуль Планарный солнечный модуль 750 40 - 50 12 - 24 20 - 25 12 - 14 15,1 18 - 20 1 В [11] показано, что средний КПД планарных солнечных модулей (ПСМ) из монокристаллического кремния увеличился с 14,6 % до 15,1 %, а из мультикристаллического кремния с 14,1 до 14,7 %. Доля ПСМ из монокристаллического кремния в общем объеме производства составляет 49 %, из мультикристаллического кремния 48,4 %, тонкопленочных СМ 2,38 %. Число фирм-производителей ПСМ уменьшилось за 2012 год на 30 % со 181 до 129 [11]. В отличие от ПСМ ВСМ имеют двухстороннюю рабочую поверхность. За счет отражения солнечного излучения на тыльную поверхность электрическая мощность и КПД ВСМ увеличивается на 20 - 23 % [12]. ВСМ имеют в 2 раза больший срок службы (40 - 50 лет), КПД 18 - 20 % при 50 200 кратной концентрации, что в 10 раз выше, чем у ПСМ. Этот КПД сохраняется при увеличении температуры до 60° С, что упрощает систему охлаждения ВСМ при работе с концентраторами. ВСМ длиной 0,4 м имеют рабочее напряжение до 840 В, что позволяет их использовать с бестрансформаторными инверторами и присоединять к высоковольтным линиям постоянного тока с напряжением 110 - 500 кВ без преобразовательных подстанций, стоимость которых составляет до 30 % от стоимости солнечных электростанций. Для получения рабочего напряжения 840 В с использованием традиционных ПСМ требовалось бы соединить последовательно более 1500 планарных солнечных элементов размером 150150 мм, а полная длина модуля превысила бы 252 м. Проведем расчет объемов производства и продажи электрической энергии для солнечных модулей с увеличенным сроком службы. 30 Для России 1 кВт солнечных модулей производит 1000 кВт·ч электрической энергии в год. Для южных стран производство электрической энергии составляет 1500 кВт·ч/год. В табл. 2 дано сравнение экономических показателей солнечных модулей по технологии ГНУ ВИЭСХ с герметизацией силиконовым гелем и стандартных солнечных модулей с герметизацией пленкой этиленвинилацетата (EVA). Стоимость электроэнергии от солнечной электростанции мощностью 100 кВт в Белгородской области составляет 9 руб./кВт·ч. Стоимость электроэнергии от солнечной электростанции мощностью 100 МВт на Украине составляет $ 0,48/кВт·ч. Таблица 2 Сравнение экономических показателей солнечных модулей различных типов № № п/п Показатели Стандартные модули с герметизацией EVA Модули ГНУ ВИЭСХ с герметизацией силиконовым гелем 1. 2. Срок службы модулей, лет Производство электроэнергии за срок службы, кВт·ч/кВт: а) в России б) в южных странах Доход от продажи электроэнергии за срок службы модулей мощностью 1 кВт: а) в России при цене 9 руб./ кВт·ч, руб. б) в южных странах при цене $ 0,48/ кВт·ч, долларов США Доход от продажи электроэнергии за срок службы модулей общей мощностью 2 МВт: а) в России б) в южных странах Доход от продажи электроэнергии за 5 лет работы линии при выпуске модулей 2 МВт/год составит: а) в России, руб. б) в южных странах, долл. США 25 40 25 000 37 500 40 000 60 000 225 000 360 000 18 000 28 800 450 000 000 36 000 000 720 000 000 57 600 000 2 250 000 000 180 000 000 3 600 000 000 288 000 000 3. 4. 5. При общем объеме производства СМ 10 МВт за 5 лет ожидаемый доход от продажи электроэнергии при использовании модулей с увеличенным сроком службы будет в России на 1,35 млрд. руб. больше, а в южных странах на 108 млн. долл. больше, чем от продажи электроэнергии при использовании солнечных модулей с герметизацией EVA. Стоимость производства ВСМ соизмерима со стоимостью планарных кремниевых СМ в расчете на единицу площади и в 1000 раз меньше себестоимости каскадных гетероструктурных СМ на основе соединений А IIIВV при одинаковой эффективности. Развитие технологии ВСМ третьего поколения на основе монокристаллического кремния позволит создать солнечные электростанции с концентраторами с более низкими удельными затратами на 1 кВт установленной мощности и более высокой эффективности производства электроэнергии по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на угле [10]. 31 Выводы 1. В результате технологических исследований созданы ВСМ с вертикальными р-n переходами с рабочим напряжением до 840 В. Максимальный КПД ВСМ третьего поколения составляет 14,58 % при суммарной солнечной радиации 1 кВт/м2 и температуре 25о и 24 % при измерении под импульсным имитатором с интенсивностью 102 кВт/м2. Максимальная мощность модуля при освещенности 493 кВт/м2 составляет 60 Вт при площади модуля 6 см2 и КПД 20 %, что соответствует 1000-кратному снижению расхода кремния по сравнению со стандартным ПСМ на основе монокристаллического кремния, работающим без концентратора. Указанные характеристики получены для ВСМ без просветляющего покрытия. 2. Разработана конструкция и технология изготовления ВСМ третьего поколения для солнечных электростанций с концентраторами. Технология производства ВСМ подготовлена к условиям массового производства, не требует применения серебра, сеткографии, фотолитографии и других трудоемких операций и дорогостоящих материалов. 3. Для эффективного использования ВСМ с концентраторами солнечного излучения необходимо обеспечить равномерное освещение ВСМ в фокальной области и охлаждение ВСМ в условиях воздействия концентрированного солнечного излучения при использовании линейных концентраторов на основе параболоцилиндров, линейных линз и зеркал Френеля. 4. Современные процессы полупроводниковой электроники и нанотехнологии позволят в ближайшие годы увеличить КПД преобразования концентрированного солнечного излучения с использованием ВСМ на основе матричных кремниевых солнечных элементов в промышленном производстве до 30 % и предельную электрическую мощность до 50 Вт/см2 при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Авторы благодарны к.ф.-м.н. Вершинину В. С. и к.т.н. Персиц И. С. за помощь при изготовлении экспериментальных образцов ВСМ третьего поколения д.ф.-м.н., профессору Евдокимову В. М., к.ф.-м..н. Арбузову Ю.Д. и к.т.н. Майорову В.А. за измерение параметров ВСМ на импульсном имитаторе и при солнечном освещении. Литература 1. Martin Green. Perl cell. The university of New South Wales -www.nsinnovations.com.au. 2. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М.: ВИЭСХ. Т. 1. 2009. 125 с. 3. Стребков Д.С. Матричные солнечные элементы. М.: ВИЭСХ. Т.2. 2010. 266 с. 4. Sater D.L. et all. The multiple Junction Edge Illuminated Solar Cells // Conf. Res. Tenth IEEE Photovoltaic Specialists Conf. 1973. P. 188-193. 5. Sater D.L. Method of making a nigh intensity solar cell. US Pat. № 4516314, 1985. 6. Стребков Д.С., Шеповалова О.В., Заддэ В.В. Полупроводниковый фотоэлектрический генератор (варианты). Пат. РФ № 2336596, Б.И. 2008, № 29. 7. Стребков Д. С. Матричные солнечные элементы. М.: ГНУ ВИЭСХ. Т. 3. 2010. 346 с. 8. Стребков Д.С, Поляков В.И. Высокоэффективные солнечные элементы третьего поколения. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук, 2011, № 4. С. 56-60. 9. Стребков Д.С, Поляков В.И. Фотоэлектрические кремниевые модули с КПД 24 % для солнечных электростанций с концентраторами // Труды Межд. науч.-практ. конф. "Перспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие технологии" 32 г. Шымкент, Республика Казахстан, Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова. 2010. Т. 1. С. 137-145. 10. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А., Осьмаков М.И., Плохих С.Л. Солнечная установка с многопереходными фотоэлементами и концентратором // Электро, 2013, № 2. С. 50 - 52. 11. Jochem Siemer, Beate Knoll. Still more than enough // Photon International, February 2013, № 2. P. 72 - 73. 12. Shravan Kumer Chunduri. PV`s Palindrome. // Photon International, February 2013, № 2. P. 64 71. __________________ НАЗЕМНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ КАСКАДНЫХ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И КОНЦЕНТРАТОРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ В.Д. Румянцев, д.ф-м.н., В.М. Андреев, д.т.н., Ю.В. Ащеулов, к.ф-м.н., Н.Ю. Давидюк, к.ф-м.н., В.Р. Ларионов, к.ф-м.н., Д.А. Малевский, П.В. Покровский, Н.А. Садчиков, к.ф-м.н., А.В. Чекалин Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург • Введение На протяжении последних десяти лет в мире формируется новая отрасль электроэнергетики, основанная на применении полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечного излучения. Преимущества этого способа удовлетворения энергетических потребностей человечества для грядущих поколений трудно переоценить, имея в виду не только экономические и экологические аспекты, но также политические и социальные. В частности, существенными факторами становятся такие не учитываемые ранее, как наличие в странах ресурсов солнечной иррадиации, а также возможность распределенной генерации электроэнергии миллионами частных производителей. Установленная в мире полная мощность устройств солнечной электроэнергетики к началу 2013 года составляла 101 ГВт, а к концу года – уже 140 ГВт, приближаясь к установленной мощности всех электростанций России. В Евросоюзе мощность вновь установленных солнечных электростанций в 2012 году составила 17 ГВт, что составляет примерно половину всех вновь введенных мощностей электростанций всех других типов. Следует отметить, что суммарно в России за тот же период было введено примерно 6 ГВт новых электрогенерирующих мощностей при ничтожной доле устройств солнечной электроэнергетики. Кристаллический кремний остается в мире основным материалом солнечных модулей: на его основе изготавливаются около 83 % всех модулей, около 14 % – на основе тонкопленочных структур, и около 3 % – на основе других типов, включая рассматриваемые в настоящей работе модули, преобразующие концентрированное солнечное излучение [1, 2]. В концентраторных модулях нового поколения используются ФЭП каскадного типа с наногетероструктурой, объединяющей в одном монокристалле три фотоактивные области GaInP/GaInAs/Ge с соединенными последовательно р-п переходами [3, 4]. Благодаря внутреннему расщеплению солнечного спектра и оптимальному преобразованию излучения в каждом из трех спектральных интервалов достигнутые значения КПД имеют значения порядка 40 % . 33 Масштабное применение высокоэффективных каскадных ФЭП в наземной электроэнергетике возможно только при их совместном использовании с недорогими в производстве оптическими компонентами, концентрирующими излучение на сравнительно малой поверхности чипа фотопреобразователя. При применимых на практике кратностях концентрирования излучения 500 ÷1000х и более результирующая экономичность определяется высокими значениями КПД, превышающими в 2 - 3 раза КПД СЭ других типов, радикальным снижением расхода полупроводниковых материалов за счет концентрирования излучения, а также повышенной выработкой электроэнергии в течение светового дня за счет слежения за солнцем. Будучи наиболее высокотехнологичным, данное направление получило более позднее развитие по сравнению с другими направлениями солнечной электроэнергетики, однако оно имеет и наиболее высокий потенциал для дальнейшего роста эффективности. Ожидается, что реальные значения КПД фотоэлектрического преобразования концентрированного солнечного излучения порядка 50 % смогут быть достигнуты в течение ближайших нескольких лет в 4÷6-каскадных структурах [5]. Однако следует понимать, что для обеспечения высокого результирующего КПД фотопреобразования энергоустановок и длительного ресурса функционирования важно также обеспечить оптимальное с точки зрения оптики и теплотехники конструирование модулей и систем слежения за солнцем. Конструктивный облик солнечного концентраторного модуля ФТИ Важнейшим компонентом концентраторного модуля является непосредственно концентратор. В мировой практике в основном используются концентраторы в виде линз Френеля, изготовленные из прозрачного акрилового материала методом горячей штамповки. Акрил прозрачен в видимой области, но имеет полосы поглощения в ближней ИК области спектра. В качестве альтернативного материала для изготовления линз Френеля в модулях ФТИ предложено применять прозрачный силиконовый компаунд [6]. Механической основой линзовой панели в этом случае служит лист силикатного стекла, являющегося дешевым высокопрозрачным материалом, стойким к абразивному воздействию. На внутренней стороне стекла располагается тонкий слой силикона, в котором формируется профиль френелевских линз. Полимеризация силиконового компаунда может происходить при температурах, близких к комнатной, и не требует оборудования, создающего давление. Расход силикона в пленочном исполнении минимален, что обеспечивает дешевизну линзовых панелей. Рис. 1. Схематический разрез фрагмента солнечного концентраторного модуля, разработанного в ФТИ. Размеры линз 40 х 40 или 60 х 60 мм2. Теплоразводящие пластины и ФЭП герметизированы ламинирующей пленкой. В модуле, имеющем фронтальную панель линзовых концентраторов, солнечные элементы также объединяются в фотоприемную панель, отстоящую от линзовой панели 34 на расстоянии, равном фокусному расстоянию линз. Таким образом, формируется концентраторный модуль панельного типа с «малоразмерными» единичными «субмодулями». Материал фотоприемной панели должен иметь теплопроводность, удовлетворяющую условию достаточного отвода тепла от ФЭП. Он должен быть согласован по коэффициенту термического расширения с материалами основных конструктивных компонентов модуля. В модулях, созданных в ФТИ [6, 7], в качестве основного конструкционного материала фотоприемной панели используется обычное листовое силикатное стекло, такое же, как и для фронтальной линзовой панели. Схематический разрез фрагмента такого модуля представлен на рис. 1. Теплоразводящие пластины для монтажа ФЭП изготавливаются из листовой стали. Применение материалов со сравнительно низкой теплопроводностью оказывается возможным благодаря выбору оптимальных геометрических параметров «малоразмерных» единичных субмодулей в составе модуля «панельной» конструкции. Для минимизации роли стекла в процессах теплопередачи теплоразводящие пластины с ФЭП располагаются на внешней стороне тыльной стеклянной пластины модуля. При этом стеклянная пластина является одновременно и механической основой фотоприемной панели, и интегральным защитным окном для всех ФЭП в модуле. 60 мм Рис. 2. Концентраторный модуль ФТИ. Благодаря малой высоте профиля теплоотводов в модуле рис. 1, герметизация и защита ФЭП от воздействия внешней среды осуществляется простым способом, состоящим в использовании ламинирующей пленки. Таким образом, технология изготовления концентраторных модулей оказывается подобной той, которая существует для производства плоских модулей, причем с возможностью применения разработанного к настоящему времени высокопроизводительного специализированного оборудования раскладки и ламинирования. Теплоразводящие пластины с ФЭП, если их рассматривать как сборочную единицу, сравнимы по величине с пластинами СЭ на основе кремния в плоских модулях (см. левую фотографию на рис. 2). На задней стороне модуля располагается стандартная коммутационная коробка (см. правую фотографию на рис. 2) для электрического подключения концентраторного модуля на энергоустановке. Таким образом, выполняются стандартные требования к электробезопасности солнечных модулей и энергоустановки в целом. На рис. 2, слева – фотография стальных теплоразводящих пластин, на каждой из которых методом пайки смонтированы восемь параллельно соединенных чипов ФЭП 35 диаметром 2.3 мм и два байпасных диода. Справа – фотографии концентраторного модуля ФТИ в сборке: вид со стороны линзовой панели и вид со стороны ламинированной фотоприемной панели с закрепленной на ней стандартной коммутационной коробкой. Размеры фотоприемной поверхности 480 х 960 мм2, выходное напряжение модуля 48 В (последовательное соединение шестнадцати пластин с СЭ). Потери на отражение в фотоприемной панели можно в значительной степени снизить при использовании антиотражающих покрытий. В связи расширяющимся применением солнечных модулей различных типов проблема снижения коэффициента отражения от стеклянных поверхностей получила ряд экономичных решений. Обе стороны фотоприемной панели не имеют контакта с окружающей средой, так что возможно применение покрытий с наилучшими антиотражающими свойствами. В табл. 1 приведены значения основных фотоэлектрических параметров тестового концентраторного модуля, в котором имелась возможность использования различных модификаций фотоприемной панели. При использовании пластины с двухсторонним антиотражающим покрытием потери на отражение уменьшаются в два раза. Заметим, что измеренное при этом значение КПД модуля 29,2 % получено при использовании в нем ФЭП с исходными значениями КПД порядка 36 ÷ 37 %. Применение вводимых в практику ФЭП с эффективностью порядка 42 ÷ 43 % позволит получить значения КПД модуля на уровне 34 %. Оценка перегрева р-п переходов ФЭП в концентраторных модулях конструкции ФТИ показала, что при интенсивности солнечной засветки 850 Вт/м2 и скорости ветра порядка 1 м/с он составляет 50 ÷ 52º C в режиме холостого хода и 33 ÷ 35º C в режиме включения на оптимальную нагрузку. Таким образом, благодаря высокому КПД фотопреобразования имеет место эффект «электрического охлаждения» ФЭП в рабочем режиме. В табл. 1. показаны значения тока короткого замыкания (IКЗ), напряжения холостого хода (UХХ) фактора заполнения вольт-амперной характеристики (ФЗ) и КПД для экспериментального концентраторного модуля (12 линз Френеля 40х40 мм2 и столько же соединенных параллельно трехпереходных СЭ со структурой GaInP/GaInAs/Ge). Таблица 1 Параметр Без тыльного стекла Непросветленное стекло Optiwhite Стекло с двухсторонним просветлением IКЗ, A UХХ, В ФЗ, % КПД, % 1.85 3.05 83.5 30.7 1.64 3.06 83.7 27.3 1.75 3.06 83.6 29.2 Энергоустановки с концентраторными модулями Для того чтобы концентраторные системы смогли занять подобающее место на рынке крупных солнечных электростанций, необходимо использовать технически совершенные и недорогие системы для размещения модулей и слежения за солнцем. В ФТИ разрабатываются два варианта таких систем – для размещения на открытых территориях и размещения на крышах зданий. Они характеризуются рядом общих черт, таких как ступенчатое расположение модулей, снижающее ветровые усилия на конструкцию, расположение всех элементов азимутального и зенитального слежения в одном узле, и некоторые другие. Первая общая особенность это высокая точность слежения, превышающая 0.1 градуса, реализуемая за счет жесткости рамной конструкции и прозрачности для ветра. На рис. 3 показан принцип ступенчатого 36 расположения концентраторных модулей на установке слежения. Преимущество данного расположения заключается в уменьшении ветровых нагрузок в течение дня, а также симметричность положения рамы энергоустановки в двух крайних состояниях – в направлении на восход/закат и на зенит). Вторая общая черта установок – это использование больших зубчатых колес и секторов для финальных передаточных ступеней наряду с использованием относительно небольших червячных редукторов в обоих приводах. Это позволяет снизить стоимости системы при обеспечении точности слежения. Рис. 3. Схема ступенчатого расположения модулей на установке слежения за солнцем с обозначением направлений потоков ветра и солнечного излучения в течение дня. Фотографии двух солнечных энергоустановок для использования в условиях открытых пространств показаны на рис. 4. Установки имеют центральную опорную колонну, вокруг которой осуществляется вращение рамы с размещенными на ней модулями. Эта колонна должна быть закреплена в грунте, однако для монтажа в неблагоприятных условиях она может быть расположена на достаточно большой крестовине. Рис. 4. Фотографии экспериментальных солнечных энергоустановок, спроектированных для использования в условиях открытых пространств: слева – на общую мощность 1 кВт; справа – на мощность до 6 кВт (частично укомплектована концентраторными модулями размерами 0,5 х 1 м2). Фотографии двух установок карусельного типа, спроектированных для размещения на плоских крышах зданий, показаны на рис. 5. Одна из них (рис. 4, слева) снабженная роликами, движущимися по кольцевой направляющей, приподнята над поверхностью для исключения возможного заноса снегом. Вторая установка движется по плоской поверхности при помощи шести колес, два из которых, расположенные на одной диагонали, являются ведущими, вращающимися друг относительно друга в противоположных направлениях. Работа установок полностью автоматическая. Процесс движения за солнцем при облачной погоде и в течение ночного периода (возвращение из положения «на закат» в положение «на восход») осуществляется по программе. Аналоговый солнечный датчик с обратной связью обеспечивает позиционирование рамы с модулями по направлению на солнце с точностью выше, чем 0.05 углового градуса. Механический привод разработан таким образом, что энергоустановки могут работать в экваториальном поясе, где северный и южный рабочие секторы перекрываются. Мотор-редукторы 37 азимутального и зенитального приводов располагаются в одном защищенном кожухе, удобном для обслуживания. В этом же кожухе располагаются все платы управления, датчики положения рамы и элементы защиты. Рис. 5. Фотографии экспериментальных солнечных энергоустановок, спроектированных для размещения на плоских крышах зданий: слева – на мощность 1 кВт; справа – на мощность 10 кВт. Заключение Перечислим основные преимущества разработанных концентраторных фотоэнергоустановок, обеспечивающие конкурентоспособность на рынке наземной солнечной фотоэнергетики: Использование фотопреобразователей с КПД более 40 % при преобразовании концентрированного солнечного излучения. Тысячекратное концентрирование солнечного излучения с помощью линз Френеля и соответствующее снижение площади и удельной стоимости фотопреобразователей, что приводит к снижению стоимости энергоустановок. Увеличение более чем в 2,5 раза количества электроэнергии, вырабатываемой с единицы площади СФЭУ за счет большей эффективности и слежения за Солнцем по сравнению со стационарными кремниевыми и тонкопленочными солнечными батареями. Литература 1. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения (монография). Л.: Наука, 1989, 310 стр. 2. Andreev V.M, Grilikhes V.A, Rumyantsev V.D Photovoltaic Conversion of Concentrated Sunlight. N.Y.: John Wiley & Sons Ltd, 1997. 3. Alferov Zh.I., Andreev V.M., Rumyantsev V.D. III-V heterostructures in photovoltaics // Concentrator Photovoltaics // Springer Series in Optical Sciences. 2007. Vol. 130. P. 25 - 50. 4. Андреев В.М. Нанотехнологии для солнечной фотоэнергетики // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 2 (46). C. 93 - 98. 5. A. Luque, “Will we exceed 50 % efficiency in Photovoltaics”, Journal of Applied Physics, 110, 031301, (2011). 6. V.D. Rumyantsev “Solar concentrator modules with silicone-on-glass Fresnel lens panels and multijunction cells”, Optics Express. Vol. 18. Issue S1, pp. A17 - A24, 2010. http://www.opticsinfobase.org/oe/search.cfm. 7. V. D. Rumyantsev, V. M. Andreev, A. V. Chekalin, N. Yu. Davidyuk, O. A. Im, E. V. Khazova, and N. A. Sadchikov «Progress in developing HCPV modules of SMALFOC-design”. AIP Conference Proceedings 1556, 185 (2013); doi: 10.1063/1.4822227. _________________ 38 ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ C.Д. Лихоносов, к.х.н., В.А. Попов, В.П. Кулыга, Ю.В. Каллут, А.В. Пачуев ОАО «Сатурн», г. Краснодар • Интегральным критерием технического совершенства АБ космического назначения является величина реализуемой удельной энергии для максимальных практических сроков активного существования (САС) при удовлетворении заданным ТЗ эксплуатационным диапазонам параметров работы (напряжение, температура, саморазряд, ФКП и др.), требованиям надежности и безопасности. Реализованные значения указанного критерия для АБ ОАО ”Сатурн” представлены в табл. 1. Таблица 1 Практическое совершенство литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и АБ Аккумуляторы (АБ) Аккумуляторы (АБ) Технические характеристики для НОО для ГСО Удельная энергия 140…150 155…165 ЛИА, Втч/кг САС, лет 5…7 15 до 25…30 до 70 до 45 до 115 Отношение массы ЛИА к массе АБ 0,75…0,88 0,75…0,88 Реализуемая удельная энергия АБ, Втч/кг до 40 до 100 Глубина разряда, % Реализуемая удельная энергия ЛИА, Втч/кг 1. Проблемы и достижения при создании литий-ионных аккумуляторов для эксплуатации на геостационарных и высокоэллиптических орбитах 1.1 Достигнутые результаты К настоящему моменту времени в ОАО «Сатурн» разработан ряд ЛИА (литийионный герметичный призматический -ЛИГП): ЛИГП-10, ЛИГП-25, ЛИГП-50, ЛИГП85 и ЛИГП-120 и др. номиналом емкости от 10 до 120 А·ч. Основные технические характеристики ЛИА для ГСО приведены в табл. 2 (в сравнении с наиболее современным аналогом ведущего мирового производителя ЛИА космического назначения). Таблица 2 Характеристики аккумуляторов для ГСО Технические характеристики ЛИГП-50 ЛИГП-85 ЛИГП-120 LSE110 65 3,6 235 155 ОАО ”Сатурн” 103 3,6 370 158 130 3,6 470 163 GS Yuasa 122 3,7 451 163 Разработчик Полная емкость, Ач Среднее напряжение при разряде1, В Энергоемкость, Вт·ч 39 Технические характеристики Удельная энергия, Втч/кг Масса аккумулятора, кг Материал корпуса ЛИА Габариты2, мм ЛИГП-50 ЛИГП-85 ЛИГП-120 LSE110 1,52 алюминий 105×44×156 (166) 2,34 алюминий 133×53×156 (166) 2,88 алюминий 133×53×192 (202) 2,77 алюминий 130×50×208 (н/д) 1 - при токе разряда С/2 и средней температуре разряда 20º С 2 - длина×ширина×высота (указана высота по корпусу ЛИА, в скобках – по борту) На основе указанных аккумуляторов реализованы аккумуляторные батареи (АБ) соответствующие по основным характеристикам АБ ведущих мировых производителей, а по удельным характеристикам – несколько их превосходящие. В табл. 3 приводятся сравнительные характеристики АБ космического применения фирм SAFT, MITSUBISHI ELECTRIC и ОАО ”Сатурн” при сопоставимых уровнях энергоемкости. Таблица 3 Сравнение габаритно-массового совершенства АБ Технические характеристики LIBM100A24SB АБ КА AMOS 5 блок АБ КА “Благовест” SAFT ОАО ”Сатурн” Разработчик ЛИА (индекс ЛИА) MITSUBISHI ELECTRIC GS YUASA (LSE100) SAFT (VES-180) ОАО ”Сатурн” (ЛИГП-85) Количество ЛИА 24 40 22 Топология АБ 24S 2P20S 2P11S Масса ЛИА 2,79 1,11 2,34 Энергоемкость ЛИА, Вт·ч 405 173 370 Удельная энергия ЛИА, Втч/кг 145 156 158 95001 705×315× ×275 70001 760×340× ×265 80502 648×331× ×224 78 58 58,5 0,86 0,77 0,88 122 121 138 156 102 168 Разработчик АБ Энергоемкость АБ, Вт·ч Габариты АБ, мм Масса АБ, кг Отношение массы ЛИА к массе АБ Удельная массовая энергия АБ, Втч/кг Удельная объемная энергия АБ, Втч/л 1 - оценка (для SAFT – подтверждена испытаниями у производителя КА); 2 - по результатам предварительных испытаний. На рис. 1 представлены результаты продолжающейся квалификации ресурсных характеристик ЛИА (7 аккумуляторов ЛИГП-50), демонстрирующие, помимо выполнимости требований к циклическому ресурсу при эксплуатации на геостационарной (ГСО) и высокой эллиптической (ВЭО) орбитах сроком не менее 15 лет, высокую технологическую стабильность производства аккумуляторов. Кроме того выполнены (выполняются) следующие виды ресурсных испытаний ЛИА: 40 1) Испытания на сохраняемость (начаты в 2010 году). Подтверждена высокая сохраняемость ЛИА при температурах не более 0…10º С и НРЦ не более 3,8 В; 2) Комбинированные испытания – чередование ускоренного циклического ресурса с хранением в течение 30…45 дней при НРЦ 4,0 В и температурах 40…60º С. Подтверждено положительное влияние циклирования на улучшение сохраняемости в наиболее тяжелых условиях и отсутствия влияния на циклический ресурс при длительном хранении в периодах солнцестояния на орбите (подтверждено также летной квалификацией); 3) Ресурсные испытания после воздействия ионизирующего излучения дозой более 12,5 Мрад (непосредственно на блок электродов). Подтверждено отсутствие влияния ИИКП на ресурсные характеристики реализованной конструкции электрохимической группы. 1,00 Относительная энергия разряда 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №024 02 2012 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №025 02 2012 0,40 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №026 02 2012 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №042 08 2012 0,30 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №043 08 2012 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №044 08 2012 0,20 кобальтат НЗХК, h"+"=150мкм, №045 08 2012 Линейный прогноз по худшему аккумулятору 0,10 циклы 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Рис. 1. Квалификация ресурсных характеристик ЛИА при постоянной глубине разряда величиной ~ 70 % от полной емкости. К настоящему моменту времени проведена летная квалификация экспериментальной ЛИАБ в течение 3-х лет в составе КА “Глонасс”, завершена наземно-экспериментальная отработка в полном объеме для целого ряда образцов ЛИАБ для ГСО и ВЭО первые летные комплекты отгружены Заказчику. 1.2 Критический анализ результатов наземно-экспериментальной отработки и летной квалификации При наземно-экспериментальной отработке и летной квалификации ЛИАБ для ГСО и ВЭО как ключевой была определена проблема согласования характеристик саморазряда комплекта аккумуляторов АБ с периодичностью регламентных работ при хранении АБ в эксплуатирующей организации (ЭО) и алгоритмами управления (выравнивания) АБ при эксплуатации на орбите. Причина указанных проблем – наличие аккумуляторов с уровнем саморазряда более 0,3…0,4 % в сутки (при медианном значении партии аккумуляторов на уровне ~ 0,2 % в сутки). Для указанных аккумуляторов достаточно очевидно наличие 41 микрошунтов, определяющих некоторое превышение уровней саморазряда относительно среднего значения партии (находящееся, тем не менее, в рамках требований ТЗ). Данное обстоятельство приводит к двум негативным последствиям: 1) Необходимости регламентных работ с ЛИАБ (проверка НРЦ, выравнивание) при хранении в ЭО с относительно высокой периодичностью; 2) Необходимости проведения выравнивания АБ в течении теневых участков орбиты (и соответственно – наличия соответствующей программно-аппаратной реализации в бортовой автоматике управления). Общие пути решения указанной проблемы очевидны: более жесткие критерии отбора аккумуляторов на стадии ПСИ, использование топологии АБ с применением пакетов из параллельно соединенных аккумуляторов, мероприятия по улучшению технологической культуры производства. 1.3 Дальнейшие пути наращивания характеристик Естественно, что для существенного наращивания достигнутых энергетических характеристик АБ необходимо увеличение удельной энергии аккумуляторов. Анализ показывает, что для опытно-конструкторских работ ближайшего времени, как целевой может быть определен уровень удельной энергии ЛИА величиной ~ 250 Вт·ч/кг. Реализация удельной энергии 250 Вт·ч/кг на аккумуляторе невозможна без разработки электрохимической группы (ЭХГр) на основе перспективных материалов. 1. Основные задачи разработки материальной части ЭХГр: 1.1) создание активного материала положительного электрода, способного обеспечить указанные энергетические характеристики (данная задача приоритетна в силу того, что положительный электрод фактически определяет массовые характеристики аккумулятора); 1.2) создание активного материала отрицательного электрода, способного обеспечить указанные энергетические характеристики; 1.3) разработка составов активных масс для реализации максимальных характеристик активных материалов и отработка технологии процесса нанесения активной массы на токоотводы для обеспечения требуемых характеристик электродов; 1.4) разработка состава электролита для реализации максимальных характеристик электродов на основе новых материалов. 2. Также приоритетными являются вопросы по подтверждению ресурса, надежности и безопасности для аккумуляторов с перспективными материалами: 2.1) подтверждение ресурса аккумуляторов на основе ЭХГр с высокими удельными характеристиками; 2.2) разработка конструктивных и регламентных мер для обеспечения требований безопасности (устойчивость к перезарядам, переразрядам, взрывобезопасность при коротких замыканиях и т.д.), для перспективных аккумуляторов и АБ на их основе; 2.3) необходимость параллельных работ по определению идеологии и опытноэкспериментальной отработке перспективных средств контроля и управления АБ (взаимодействие разработчиков основного изделия и его составных частей), так как характеристики бортовых средств автоматики являются критическими для обеспечения надежности и безопасности литий-ионных АБ. К настоящему времени реализованная удельная энергия аккумуляторов ОАО «Сатурн» на основе LiCoO2 (материал положительного электрода) и синтетического графита (материал отрицательного электрода) составляет до 165 Вт·ч/кг (при уровне 42 токов величиной С/2, до 170…175 Вт·ч/кг для токов С/5…С/10). Для обеспечения удельной энергии не менее 250 Вт·ч/кг требуется создание новых материалов положительного (в первую очередь) и отрицательного электродов. Основным направлением мировых исследований по созданию материала положительного электрода с высокой удельной энергией является создание материала yLi2MnO3 · (1-y)LiMO2, причем под данным типом рассматриваются материалы разных составов: химических, структурных, фазовых. Общим для этих типов является наличие в составе материала фазы Li2MnO3, которая активируется при потенциале выше 4,6 В (относительно лития). По химическому составу материалы могут различаться по входящим в состав металлам (M=Ni, Co, Mn и др.), по структуре на слоистые-слоистые, слоистые-шпинелевые, либо различные сочетания слоистые-слоисто-шпинелевые. Различие по фазовому составу определяется содержанием Li2MnO3, т.е. стехиометрическим коэффициентом у. Проблема разработки указанных материалов является важнейшей для решения поставленной задачи. В настоящий момент времени ОАО “Сатурн” ведет активное взаимодействие с отечественными научными и производственными предприятиями по разработке соответствующих материалов и оптимизации электролита. 2. Проблемы и достижения создания литий-ионных аккумуляторов для эксплуатации на низких околоземных орбитах 2.1 Достигнутые результаты По оценкам ОАО “Сатурн”, одним из ведущих мировым производителем ЛИАБ космического назначения для эксплуатации на НОО является фирма SAFT (Франция). Современному мировому уровню ЛИА фирмы SAFT для НОО соответствуют аккумуляторы VES-140 и VES-16 (с активной массой положительного электрода на базе никеля) и аккумуляторы MPS (с активной массой положительного электрода на базе кобальта). Уровень характеристик указанных ЛИА в сравнении с разработанными ОАО “Сатурн” аккумулятором ЛИГП-48 (в рамках программы АБ 12ЛИ-48) и аккумулятором ЛИГП-20 (в рамках программы АБ 4ЛИ-20) представлен в таблице 4. Таблица 4 Характеристики ЛИА Технические характеристики Разработчик Полная емкость, Ач Среднее напряжение при разряде С/1,5, В Энергоемкость, Вт·ч Удельная энергия, Втч/кг Масса аккумулятора, кг САС на НОО, лет Допустимая глубина разряда, % (7-летний САС на НОО) Интервал рабочих температур, о С ЛИГП-20 ЛИГП-48 Сатурн 22 51 3,7 3,7 81 189 137 143 0,59 1,32 5…7 5…7 20…25 20…25 10…40 10…40 MPS 176065 VES-16 VES-140 5,8 3,6 21 140 0,15 5…7 до 20 SAFT 4,5 3,6 16 140 0,115 5…7 20…30 38,5 3,6 138 124 1,13 5…7 20…30 10…40 10…40 10…40 В соответствие с имеющимися данными можно сделать следующие выводы по ресурсным характеристикам в режимах НОО ЛИА фирмы SAFT: 43 1) ЛИА фирмы SAFT квалифицированы на 7-летний САС в условиях НОО при глубинах разряда: гарантированно – при ГР ≤ 20 % , и, с некоторыми замечаниями, при ГР ≤ 30 %. 2) Испытания ЛИА при глубинах разряда свыше 30 % отличает кратное (фатальное) ускорение темпа деградации электрических характеристик. 3) Методология испытаний ресурсных характеристик ЛИА фирмы SAFT представляется достаточно мягкой: использование плавно падающего тока при заряде, фактически максимальные длительности заряда и разряда (85 минут в случае теста при глубине разряда 30 % – максимально благоприятные условия для достаточно узкого круга НОО). Ввиду более позднего старта работ и наличия в своем заделе никель-водородных АБ рекордных характеристик ОАО “Сатурн” не обладает объемом отработки ЛИА в режимах НОО сопоставимым с SAFT. Тем не менее, анализ уже имеющихся результатов ресурсных испытаний согласуется с данными фирмы SAFT представленными выше (с поправкой на более жесткую методологию проведенных ресурсных испытаний в условиях ОАО “Сатурн”) и позволяют сделать вывод о том, что для глубин разряда 10…25% циклический ресурс ЛИА является практически неограниченным. Для более надежного подтверждения этого вывода необходимо проведение испытаний в условиях ОАО “Сатурн” с учетом общепринятой в мировой практике методологии заряда. Такие испытания начаты в рамках двух программ разработки АБ для КА НОО. К настоящему моменту времени завершена наземно-экспериментальная отработка в полном согласованном объеме для двух образцов ЛИАБ для НОО (12ЛИ-48 и 4ЛИ-20). Летная эксплуатации первых батарей (АБ 4ЛИ-20) в составе штатных систем электропитания КА НОО начата в декабре 2013 года. 2.2 Критические результаты наземно-экспериментальной отработки и летной квалификации При наземно-экспериментальной отработке и летной квалификации ЛИАБ для НОО как ключевыми была определены следующие проблемы: 1) Алгоритмы работы устройства выравнивания и задействования байпасных элементов (БЭ) при эксплуатации КА на орбите; 2) Достаточно жесткие ограничения по уровню зарядных токов (в зависимости от температуры ЛИА и глубины разряда). Вопросы выравнивания и задействования БЭ являются критическими ввиду резко ограниченных возможностей по связи с КА, эксплуатирующихся на НОО и в силу того, что предприятие ОАО “Сатурн” зачастую само является непосредственным разработчиком устройств выравнивания, требующим согласования алгоритма включения/отключения с бортовой автоматикой СЭП КА. Путем решения указанной проблемы является регламентное включение устройства выравнивания в процессе эксплуатации КА за счет: – использования топологии АБ с применением пакетов из параллельно соединенных аккумуляторов при минимальных разбежках по уровню саморазряда между пакетами (менее 0,05 % в сутки); – стабильности ресурсных характеристик комплекта аккумуляторов (близкий темп деградации); Задействование БЭ являет собой самостоятельную комплексную проблему для КА НОО (с учетом согласованности работы с УВ) и в настоящий момент времени по опыту работ ОАО “Сатурн”, не имеет однозначного решения. 44 Ограничение по уровню зарядных токов является объективной характеристикой принятой конструкции электрохимической группы и является определяющим при ограничении допустимой глубины разряда циклического ресурса. Общий путь решения указанной проблемы непосредственно связаны с дальнейшим наращиванием характеристик ЛИА для НОО. 2.3 Дальнейшие пути наращивания характеристик В табл. 1 представлены значения интегрального критерия совершенства ЛИА (и АБ на их основе) – реализуемой удельной энергии в цикле. Для НОО при длительности цикла 30…36 минут эта величина достигает 45 Вт·ч/кг для ЛИА и 40 Вт·ч/кг для АБ. Дальнейшее наращивание указанных характеристик за счет использования перспективных материалов для ЛИА с удельной энергией 250 Вт·ч/кг в настоящий момент не предполагается. Это связано с тем, что циклические нагрузки на НОО кратно превосходят нагрузки на ГСО (ВЭО) и более чувствительны к перенапряжениям в аккумуляторе (электрохимическим и механическим). Указанные причины подтверждаются опытом разработки и квалификации никель-водородных АБ, где окисно-никелевые электроды с более высокой плотностью активного вещества (КА “Глонасс”, “Луч”, “Лабиринт” и т.д.) не полагается использовать на НОО. Другими словами повышение реализуемой удельной энергии ведется в направление увеличения допустимой глубины разряда для традиционных (применяемых в ЛИА ОАО “Сатурн”) материалов ЭХГр. Механизм ускорения темпа деградации ЛИА в режимах НОО для глубин разряда более 30…35 % принципиально понятен и существуют обоснованные предпосылки для повышения глубины разряда до величины не менее 40 % с повышением реализуемой удельной энергии ЛИА до 60 Вт·ч/кг. Основное направление при решении указанной задачи – снижение электрохимических (механических) перенапряжений в ЭХГр аккумулятора. Исходя из этого вытекает необходимость следующих работ: 1. Оптимизация конструкции ЭХГр аккумулятора (более тонкие электроды, оптимизация пористости и т.д.). 2. Совершенствование имеющихся материалов ЭХГр аккумулятора в части снижения их электрохимического сопротивления. 3. Оптимизация механических характеристик электродов. По перспективам ЛИА для НОО, можно сделать следующие выводы: – пути решения задачи повышения реализуемой удельной энергии до величины 60 Вт·ч/кг при САС длительностью не менее 7 лет (~ 40 000 циклов) принципиально ясны и понятны; – основной проблемой решения поставленной задачи является значительный объем требуемых материальных ресурсов. Это связано с тем, что испытания в режимах НОО фактически не подлежат ускорению и относительно внятные подтверждения (выводы) при циклировании перспективного варианта ЛИА могут быть получены только через год-полтора после начала испытаний. Выводы 1) Предприятием ОАО «Сатурн» осуществлена разработка, наземноэкспериментальная отработка в полном объеме и летная квалификация ЛИАБ для эксплуатации на ГСО (ВЭО). Успешно проведены полная отработка циклического 45 ресурса, циклического ресурса после воздействия ИИКП, испытания на сохраняемость и другие виды испытаний. 2) Предприятием ОАО «Сатурн» осуществлена разработка, наземноэкспериментальная отработка в полном объеме и начата летная квалификация ЛИАБ для эксплуатации на НОО. Работы по отработке циклического ресурса ЛИА продолжаются. 3) Аккумуляторные батареи ОАО “Сатурн” оснащены байпасными элементами, а ряде случаев – устройствами выравнивания собственной разработки. Для иностранного заказчика выполнена разработка и поставка полноценного модуля контроля и управления ЛИАБ (в составе батарей) 4) Интеллектуальная, испытательная и производственная база ОАО «Сатурн» позволяет реализовать разработку и квалификацию усовершенствованных ЛИА для эксплуатации на ГСО (ВЭО) и НОО. Разработка ЭХГр для аккумуляторов ГСО с удельными характеристиками уровнем 250 Вт·ч/кг уже ведется и находится на стадии испытаний в макетах аккумуляторов. Работы по аккумуляторам для НОО также ведутся, но ограничиваются материальными возможностями предприятия. Запланированный срок квалификации перспективных аккумуляторов – 2015 - 2017 гг. __________________ РЕЗЕРВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ А.Г. Денискин ОАО "НПП "Квант" • Для современных артиллерийских и ракетных систем различного класса требуются автономные резервные источники электроэнергии для питания бортовой электронной аппаратуры, обеспечивающие технические и тактические характеристики конкретных видов вооружений. К таким источникам тока предъявляются достаточно жёсткие требования. Они должны выдерживать значительные механические воздействия (ударные, вибрационные и линейные перегрузки), храниться и работать в различных климатических условиях при температурах от - 60о С до + 60о С; сохранять в течение длительного времени (более 20 лет) без потерь заданные электрические характеристики без необходимости в каких-либо регламентных работах, иметь достаточно высокие удельные энергию и мощность, а также минимальные весовые и габаритные характеристики. Основой теплового химического источника тока (тепловой батареи) является электрохимический элемент, в котором электролит в незадействованном состоянии находится в твёрдой фазе, и для перевода электрохимического элемента в рабочее состояние требуется его разогрев до температур 450 - 600о С. Такой разогрев в тепловых батареях осуществляется пиротехническими нагревательными элементами, каждый из которых непосредственно примыкает к электрохимическому элементу для осуществления его быстрого разогрева. 46 Необходимый уровень напряжения обеспечивается количеством последовательно соединенных электрохимических элементов в блоке батареи. Параллельно соединенные блоки обеспечивают заданные требования по току. Высокие рабочие температуры в тепловых батареях и высокая ионная проводимость электролитов-расплавов позволяют эффективно использовать в электрохимических парах высокоэнергоёмкие электродные материалы: щелочные и щелочно-земельные металлы для анодов и соединения тяжелых металлов для катодов. Использование материалов с высокими электродными потенциалами обеспечивает в тепловых батареях высокое для первичных химических источников тока напряжение разомкнутой цепи 2 - 3 В с элемента и способность разряжаться значительными плотностями тока (до нескольких А/см2). По применяемым в тепловых батареях электрохимическим системам и особенностям технологии их изготовления можно выделить три поколения тепловых батарей, разработанных "НПП "Квант". Первое поколение В качестве анодных материалов использовался кальций или магний, активным материалом катодов был либо бихромат калия, либо сульфат свинца, нанесенный из расплава на никелевую сетку. Электролитом служила смесь хлоридов лития и калия, нанесенная из расплава на стеклотканую основу. В качестве нагревателя использовался состав, состоящий из порошка циркония и хромата бария, нанесенный на асбестовую подложку или находящийся в порах асбестовой матрицы. Тепловые батареи этого поколения обеспечивали сохраняемость в течение 12 лет и работоспособность в широком интервале температур окружающей среды. Однако они имели и существенный недостаток − низкую устойчивость к механическим воздействиям и небольшую удельную энергию (до 4 Втч/кг). Несмотря на это, сфера их использования в военной технике всё более расширялась и перед нами ставились новые задачи по их совершенствованию. Второе поколение Принципиальным отличием второго поколения тепловых батарей являлось изготовление электролита и катода методом прессования. Электролит загущался наполнителем из оксида алюминия -модификации с температурой плавления больше 2000о С, обеспечивающим его устойчивость к механическим воздействиям. Анодным материалом второго поколения тепловых батарей оставался кальций. Такой электрохимический элемент состоял из трех жестких деталей, которые при активации тепловой батареи не меняли свои геометрические размеры. Слабым местом оставался эластичный циркониевый пиронагреватель, который при сгорании давал "усадку" и не имел электронной проводимости, что требовало специальных коммутирующих элементов и дополнительных конструктивных решений с целью повышения стойкости батареи к механическим перегрузкам. Тепловые батареи второго поколения работали при всех видах механических воздействий, возникающих при эксплуатации всех ракетных систем, их удельные характеристики были в 2 раза больше чем у батарей первого поколения, увеличились до 17 - 20 лет сроки сохраняемости. Третье поколение Тепловые батареи третьего поколения начали разрабатываться в "НПП "Квант" в конце 80-х годов. 47 В качестве отрицательного электрода (анода) впервые использовался литий в виде интерметаллического соединения с кремнием, устойчивого к рабочим температурам в батарее до 630о С. В качестве активного вещества катода был применён дисульфид железа – обогащённый природный минерал серный колчедан. В электролитной смеси использовался загуститель с большой удельной поверхностью, что позволило улучшить её ионную проводимость и увеличить разрядные токи. Были разработаны новые малогазовые пиротехнические составы с хорошей электронной проводимостью, что упростило конструкцию батареи. В качестве горючего использовался специальный порошок железа, а в качестве окислителя перхлорат калия, разработана автоматизированная технология формования из них пиротехнических нагревателей, обеспечивающая высокую точность выделяемой тепловой энергии. Была разработана высокоэффективная тепловая изоляции с использованием в качестве основного материала оксида кремния с размерами частиц 4 - 7 нм. Основные составные части батареи защищены 8-ю патентами России. Удельные характеристики тепловых батарей третьего поколения в 2 - 4 раза выше удельных характеристик тепловых батарей второго поколения. Тепловые батареи этого поколения обеспечивают питание ракетных комплексов: "С-300", "С-400", "Смерч", "Булава", "Торнадо", "Искандер", "Пакет", "Аврора", "Загон", "Ярс" и др. В последнее десятилетие была проведена большая работа по модернизации серийно выпускаемых тепловых батарей первого и второго поколений, входящих в изготавливаемые в настоящее время комплексы вооружений для перевода их на материалы и технологии, используемые в батареях третьего поколения. Она позволила повысить надежность работы тепловых батарей, унифицировать технологию изготовления широкой номенклатуры батарей, а, в ряде случаев, увеличить их удельную энергию и уменьшить массу и габариты. В настоящее время в связи с поставленной задачей модернизации вооружения и достижения тактико-технических параметров мирового уровня повышены требования к автономным источникам электрической энергии. Эти требования касаются снижения времени выхода на рабочий режим, стабильности напряжения в процессе разряда как при постоянной нагрузке, так и переменных токовых импульсах в любое время разряда, продолжительности работы до 1 часа и повышении удельной энергии. Осуществление этих требований возможно при комплексном подходе к поиску путей модернизации всех компонентов тепловых батарей. Перспективными направлениями повышения удельных энергетических характеристик являются, в первую очередь, разработка технологии новых анодных материалов с потенциалом чистого лития. Учитывая, необходимость работы таких анодов при температурах до 600о С, создание таких литийсодержащих композитов является сложной технологической задачей, над решением которой "НПП Квант" работает совместно с ОАО "Энергия". Создано современное оборудование, на котором уже получены первые образцы новых анодных композиционных материалов, синтезируемых на базе системы литий-бор, а также высокопористых металлических матриц, содержащих чистый литий. Потенциал таких анодов остаётся более стабильным, до израсходования всего химически несвязанного лития. 48 На рис. 1 приведены сравнительные разрядные кривые электрохимического элемента с анодами из композита литий-бор и сплава литий-кремний. 2.0 Напряжение, В Li-B 1.8 iconst 1,0 А/см2 t = 550 оС Li-Si 1.6 UКОН = 1,50 В 1.4 1.2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Время, с Рис. 1, Разрядные кривые электрохимических элементов электрохимических систем Li-Si/FeS2 и Li-B/FeS2 диаметром 21 мм с массой анодов 0,1 г для батареи БТ-300. Из графика отчётливо видны преимущества электрохимического элемента с анодом из композита литий-бор, который по ёмкости более чем в 2 раза превышает ёмкость элемента с анодом из сплава литий-кремний. Были изготовлены миниатюрные батареи БТ-300 для перспективных средств вооружений с диаметром корпуса 27 мм с анодами из сплава Li-Si и композита Li-B, которые разряжались плотностью тока около 1 А/см2. Результаты испытаний этих батарей представлены в табл. 1. Таблица 1 Сравнительные характеристики батарей БТ-300 с анодами из сплава Li-Si (16 рабочих элементов) и композита Li-B (15 рабочих элементов) Анод Температура Время выхода Максимальное напряжение, Изменение напряжения за 20 с, на режим, С Время работы В В до 24,0 В, Удельная ёмкость анода, Ас/г с Li-Si Li-В о - 50 С Li-Si Li-В +50 оС 0,37 28,6 3,1 32 760 0,23 29,5 1,5 60 1040 0,33 29,4 2,6 44 1030 0,17 30,2 1,4 75 1300 Как видно из табл. 1, время выхода на режим, падение напряжения за 20 с и время разряда до напряжения 24 В у образцов батарей с анодами из сплава Li-B почти вдвое меньше, чем у образцов батарей с анодами из сплава Li-Si. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики тепловой батареи диаметром 70 мм с временем работы 610 с, требованием к которой является обеспечение больших импульсных токовых нагрузок до 100 А на всём протяжении времени разряда. 49 Таблица 2 Сравнительные результаты испытаний макетных образцов тепловых батарей 70 мм, Н = 172 мм с электрохимическим элементом 50 мм с различным составом анодов Температура, о С Состав анодов Li-Si Li-В Требование ТЗ Напряжение на 1,5-й с, В RН* = 0,2 Ом - 50 + 70 - 50 + 70 - 50 + 70 Напряжение на Время работы 610-й с, до 49 В, В с RН = 29 Ом Напряжение на 602-й с, В RН = 2,45 Ом 12,2 21,0 18,6 23,6 45,9 47,1 51,9 53,6 55,6 55,6 63,9 62,1 973 800 1245 810 12,0 49,0 49,0 610 * максимальный ток от от 63 до 110 А при RН = 0,2 Ом. На 1,5 секунде после задействования батарея должна выдерживать импульс тока не менее 60 А, обеспечиваемый с большим запасом батареей с анодами из композита литий-бор, что особенно заметно при самой нижней отрицательной температуре. Требования по напряжению на 602-й секунде при разряде на нагрузку 2,45 Ом во всём интервале температур обеспечивает только батарея с анодами из композита литий-бор, у которой в конце разряда на 610-й секунде напряжение значительно выше по сравнению с напряжением батареи с анодами из сплава литийкремний. 2.8 1 Напряжение, В 2.6 iconst = 300 мА/см2 t = 550 оС 2.4 UКОН = 2,19 В 2.2 UКОН = 1,58 В 2.0 2 1.8 1.6 1.4 0 50 100 150 200 250 300 Время, с Рис. 2. Разрядные кривые элементов диаметром 35 мм двух электрохимических систем до UКОН = 0,8 UМАКС: кривая 1 – Li-B/твёрдый электролит/соль меди, кривая 2 – Li-Si/LiCl,KCl/FeS2. Наряду с созданием новых анодных материалов на НПП «Квант» ведётся разработка новых электролитных композиций, в которых основную долю составляют так называемые твёрдые электролиты – вещества, обладающие высокой проводи- 50 мостью по иону лития, но остающиеся при этом твёрдыми при рабочих температурах батарей. Данные композиции обладают двумя преимуществами: прессованные электроды из них механически более прочны, что обеспечивает устойчивость батарей, работающих при больших механических перегрузках, а также, позволяют использовать другие высокоактивные катодные материалы с высокими электродными потенциалами. Рабочее напряжение электрохимического элемента с катодными материалами на основе солей никеля и меди достигает величины 2,5 - 3 В, что позволяет снизить габариты и массу батарей, уменьшив количество элементов в блоке. Наглядным примером служат разрядные кривые элементов двух электрохимиических систем на основе солей меди (кривая 1) и дисульфида железа (кривая 2), приведённые на рис. 2. На электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля были собраны макетные образцы аналога батареи БТ-300 с 12-ю рабочими элементами диаметром 21 мм. Результаты приведены в табл. 3. Таблица 3 Характеристики макетных образцов аналога батареи БТ-300 (12 рабочих элементов) на электрохимической системе Li-B/твёрдый электролит/соль никеля Время Максимальное Напряжение Изменение напряжение, на 20-й с, напряжения за 20 с, В В В + 20о С 29,5 28,4 1,1 78 - 50о С 29,3 28,5 0,8 71 + 50о С 29,4 28,5 0,9 80 29,9 28,6 1,3 71 Температура о + 70 С работы до 24,0 В, с Из табл. 3 видно, что батарея с меньшим числом электрохимических элементов обеспечивает заданное время работы (20 с) с трёхкратным запасом. Ведутся исследования по улучшению путём создания новых быстрогорящих пиросоставов такого важного параметра, как время активации батарей,. В настоящее время разработаны малогабаритные батарей с временем выхода на режим 0,25 - 0,40 с, которые можно использовать, например, для катапультного кресла самолётов. Стоящие задачи миниатюризации батарей требуют новых подходов и новых технологических решений по изготовлению, как составляющих компонентов батарей, так и самого сборочного процесса, особенно в свете их массового производства. Примером таких задач является батарея, разрабатываемая для снайперского комплекса "Фломастер", которая при диаметре 8,5 и высоте 43 мм должна разряжаться плотностью тока 2 А/см2 в течение не менее 20 секунд и быть стойкой к чрезвычайно большим ударным и линейным перегрузкам. Над решением стоящих задач в свете поставленных Правительством о перевооружении Армии и Флота до 2020 г. НПП «Квант» в рамках Гособоронзаказа активно сотрудничает с предприятием ОАО "Энергия" города Ельца, осуществляяющего серийное и опытное производство тепловых батарей. __________________ 51 ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРНЫЕ БАТАРЕИ С ПОВЫШЕННОЙ НАДЁЖНОСТЬЮ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУРЫ А. В. Симкин, А. В. Бирюков, к.ф-м.н., Н. И. Репников, к.ф-м.н., В.В. Ховайло, д.ф-м.н. ООО «ТермоЭНЕРГИЯ БелГУ», г. Белгород • Надежность работы термоэлектрических генераторов (ТЭГ) оценивается как вероятность безаварийной работы установки в течение определенного времени, например её срока службы. При оценке пригодности и перспективы, в частности, автономной термоэлектрической установки надежность играет первостепенную роль, поскольку выход из строя, к примеру, автономной морской или космической энергоустановки может иметь серьезные последствия [1]. Основным конструктивным узлом любого ТЭГ, определяющим ресурс, наработку на отказ и в значительной мере стоимость всего изделия, является термоэлектрический модуль, состоящий из термоэлектрических генераторных батарей (ТГБ). ТЭГ содержат обычно десятки и сотни ТГБ и ещё большее количество спаев и соединений, каждый из которых может быть причиной нарушения работы ТЭГ. Данный доклад посвящён вопросам повышения надёжности ТГБ, ветви которых изготовлены из теллурида висмута, а коммутация выполнена нанесением барьерных и проводниковых слоёв плазменно-дуговым методом напыления. Опыт длительных циклических испытаний ТГБ изготавливаемых с применением данного метода коммутации позволяет выделить основные причины выхода ТГБ из строя: - отслоение коммутации ветвей, низкая адгезия коммутации; - растрескивание ветвей в поперечном току направлении. В статье рассмотрим пути решения этих проблем. Пути повышения адгезии В предыдущих работах авторов [2,3] приводился анализ технологии конкурентно способного высокопроизводительного метода коммутации ветвей ТГБ плазменно-дуговым методом напыления антидиффузионных и проводниковых слоёв, образующих коммутационные шины. Основные преимущества плазменно-дугового метода напыления, этих слоёв на полупроводниковые элементы, заключаются в следующем: высокая температура плазменного потока (обычно используют температуру плазмы 7000 - 20000о С), что позволяет применять для напыления любые тугоплавкие материалы; использование плазмообразующего газа, не содержащего кислорода, что предотвращает окисление напыляемых материалов; высокая скорость и температура распыляемых частиц, что позволяет получить высокую плотность покрытий и лучшее их сцепление с поверхностью подложки; невысокая температура нагрева (обычно не выше 100-200о С) поверхности обрабатываемого материала. Известно [4], что хорошие адгезионные свойства коммутационных слоёв на полупроводниковых ветвях во многом определяют качество контакта на границе 52 35.70 мкм 37.45 мкм «металл-полупроводник» и, соответственно, термоэлектрические свойства ТГБ. В свою очередь, адгезионная прочность коммутационных слоев зависит от состояния контактной поверхности, в частности, наличия на ней нарушенного слоя, его толщины, состава, структуры и свойств. В случае низкой адгезионной прочности при эксплуатации ТГБ возможно отслоение коммутационных слоев, сопровождающееся катастрофическим увеличением электрического сопротивления батареи. В качестве примера на рис. 1 представлена типичная картина отслоения коммутации на ветвях р-типа, возникшего при циклических испытаниях ТГБ, по границе «термоэлектрический материал (на основе теллурида висмута) – коммутационное покрытие (подкоммутационный молибденовый слой и проводниковый алюминиевый слой)». Как показали испытания на разрывной машине [2] подавляющая часть площади молибденового покрытия отслаивается от термоэлектрического материала и остается на слое алюминия, т.е. имеет место случай низкой адгезии молибденового слоя к термоэлектрическому материалу, тогда как адгезионные свойства на контакте «подкоммутационный молибденовый слой – проводниковый алюминиевый слой» вполне удовлетворительные. — 50 мкм — — 300 мкм — Рис. 1. РЭМ-изображение частично уцелевшего молибденового покрытия на ветви р-типа проводимости. Внизу (основание) полупроводник, вверху отслоившееся молибденовое покрытие. Маркерами указана толщина покрытия. В табл. 1 приведены данные по адгезионной прочности покрытий сплава алюминия толщиной 1 мм с дополнительным барьерным слоем Мо, Ni и Co-Cr толщиной от 20 до 100 мкм на теллуриде висмута. Таблица 1 Адгезионная прочность покрытий Материал барьерного слоя Мо Co-Cr Ni 20 мкм 0,28 0,25 0,20 Адгезионная прочность, кг/мм2 40 мкм 50 мкм 60мкм 0,78 0,60 0,78 0,85 0,70 0,81 0,82 0,65 0,72 100 мкм 0,42 0,35 0,40 Так как прочность сцепления определяется чисто механическим зацеплением затвердевших частиц покрытия с шероховатостями поверхности, а также физикохимическим взаимодействием материалов основы и покрытия, то можно предположить, что увеличение сил механической связи можно обеспечить созданием неровностей и шероховатостей поверхности. Развитие поверхности контакта оказывается энергетически выгодным и позволяет увеличить добротность до 10 % [5]. 53 Специфика газоплазменного напыления состоит в том, что частицы порошка превращаются в оплавленные капли, увлекаются ионизированным газовым потоком и, попадая на защищаемую поверхность, растекаются, затвердевают и образуют покрытие [6]. Для обеспечения максимальной адгезии поверхность, подвергаемая напылению, должна иметь развитую шероховатость, соизмеримую с размерами напыляемых частиц – Rz не менее 15 мкм, Ra не менее 5.5 мкм при напылении частиц с диаметром основной фракции 20 - 60 мкм. Поверхность термоэлемента должна быть химически и механически стабильной, не имея загрязнений, легко скалывающихся частиц, трещин и значительного нарушенного слоя. В работах [2, 3] установлено, что наиболее подходящим для газоплазменного метода напыления антидиффузионных и коммутационных слоёв является электроэрозионный метод резки полупроводниковых стержней на ветви. Он позволяет получать достаточную степень шероховатости и чистоту контактных поверхностей без дополнительной абразивной и химической обработки. Исследования влияния скорости резки на структуру и глубину нарушенного слоя показали увеличение глубины деформированного слоя при увеличении скорости резания. На рис. 2 изображена профилограмма поверхности полупроводникового материала после электроэрозионной резки со скоростью 8 мм/мин, напряжением источника генератора 1 В, напряжением искрового зазора 25 В (оптимальный режим резки). мкм Длина = 1,25 мм, шероховатость = 14,3 мкм, шкала = 20 мкм мм Длина образца Рис. 2. Типичная профилограмма поверхности полупроводникового материала после электроэрозионной резки, Ra = 2.0 мкм, Rz = 14,3 мкм. Концентрация и подвижность основных носителей заряда в нарушенных слоях будет существенно отличаться от значения этих параметров в объеме кристаллов, что приведет к изменению энергетических характеристик потенциального барьера в контакте полупроводник-металл [7]. Адгезионные свойства поверхностного нарушенного слоя и самого термоэлектрического материала также будут разными. Выявление потенциально механически непрочных ветвей Во время работы ТГБ, кроме напряжений, вызванных механическими нагрузками, в ветвях термоэлемента возникают внутренние напряжения, связанные с изменениием температуры полупроводника, при этом одна сторона ветвей по теплопоглощающему теплопереходу расширяется значительно больше, чем сторона по тепловыделяющему переходу. В реальных устройствах термоэлемент практически всегда связан с другими элементами конструкции (основанием, теплообменником и др.) и не имеет возможности свободно изменять свою форму при изменении температуры, что 54 является причиной возникновения внутренних напряжений, величина которых может превысить допустимые значения и привести к разрушению термоэлемента [8]. Для определения наиболее пригодного полупроводникового материала для сборки ТГБ были проведены сравнительные испытания на механическую прочность ветвей трёх поставщиков, серийно изготавливающих ветви теллурида висмута разными методами. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Таблица 2 Максимально допустимые пределы прочности при испытаниях на срез и сжатие Среднее значение предела прочности при срезе, МПа Среднее значение предела прочности при сжатии, МПа Экструзия р-тип n-тип Зонная плавка р-тип n-тип Прессование р-тип n-тип 16,5 23 33,7 18 26,3 14,3 139,61 166,54 97,64 60,8 49,83 42,7 Полученные значения предела прочности исследованных полупроводниковых материалов позволяют сделать вывод, что материал, изготовленный методом экструзии, является предпочтительным при изготовлении термоэлектрических генераторных батарей повышенной надёжности. Однако материал р-типа проводимости, полученный методом зонной плавки, обладая большей пластичностью, способен выдерживать большие механические нагрузки на сдвиг. Для выявления потенциально ненадёжных ветвей, имеющих внутренние дефекты (трещины, включения, полости и пр.) весьма перспективно применение ультразвуковой дефектоскопии, особенно для оценки качества материалов, полученных методами порошковой металлургии, тогда как для термоэлементов со сложноориентированной структурой, полученной направленной кристаллизацией из расплава, однозначная идентификация дефектов требует применения дополнительных методов дефектоскопии. Авторами проведены длительные сравнительные испытания образцов ТГБ с разными ветвями на надёжность по методике циклического изменения температуры на теплопереходах ТГБ [9]. Сколь либо значимые значения надёжности (определяется количеством циклов изменения температуры) были получены на образцах с экструдированными и зонноплавленными ветвями из теллурида висмута. На рис. 3 и 4 приведены графики изменения соответственно полезной мощности и ЭДС от числа термоциклов для исследованных образцов. Каждая точка графика, изображённого на рис. 3, получена при условии максимальной мощности, т.е. когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению ТГБ. На графике рис. 4 каждая точка соответствует измеренному значению ЭДС батарей в рабочей точке: температура горячей стороны ТГ = 300 С, Т = 240 С. Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы: для батарей с экструдированными и зонноплавленными ветвями на начальном этапе проведения испытаний (первые 50 - 70 циклов) наблюдается рост максимальной мощности, обусловленный ростом ЭДС батарей, что, в свою очередь, может быть связано с ростом «реальной» разности температур Т на контактных поверхностях ветвей термоэлектрических элементов, т.е. снижением теплового сопротивления на теплопереходах ТГБ. Увеличение ЭДС на этом этапе может быть связано с ростом коэффициента термо 55 ЭДС материала ветвей, за счёт возникающего при циклировании температурного отжига полупроводникового материала работающей батареи. Для батареи с прессованными ветвями при циклировании не было отмечено столь значимого роста максимальной мощности, а наблюдалось плавное уменьшение максимальной мощности без значительного изменения ЭДС, что связано со значительным ростом внутреннего сопротивления ТГБ. Рис. 3. График изменения максимальной мощности при ТГ = 300 С, Т = 240 С вырабатываемой образцами в ходе испытаний на устойчивость к циклическому изменению темпе-ратур на теплопереходах: 1 - экструдированные ветви, порезанные свободным абразивом; 2 - экструзия, электро-эрозионная резка; 3 - зонная плавка, электро-эрозионная резка; 4 прессование, электро-эрозионная резка. Рис. 4 График изменения ЭДС образцов ТГБ при ТГ = 300С, Т = 240 С вырабатываемой образцами в ходе испытаний на устойчивость к циклическому изменению температур на теплопереходах (см. обозначения к рис. 3). Разность температур на теплопереходах ТГБ приводит к возникновению статических и динамических механических напряжений на входящих в его конструкцию компонентах. При этом циклические тепловые, а, значит, и механические воздействия на конструктивные элементы ТГБ (сжатие, расширение и изгиб) могут приводить к механическим напряжениям, превышающим пределы прочности материалов, входящих в батарею. Усталость материалов при циклических механических воздействиях является причиной разрушения батарей. Литература 1. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. М., Атомиздат, 1974, 264с. 2. Бирюков А.В., Репников Н.И., Иванов О.Н., Симкин А.В. Термоэлектричество, 2011. № 3, с. 36 - 42. 56 3. Симкин А.В., Бирюков А.В., Репников Н.И., Иванов О.Н. Термоэлектричество, 2012. № 2, с.13 - 19. 4. Освенский В.Б., Каратаев В.В., Малькова Н.В. Материалы электронной техники, 2002. с. 70 - 73. 5. Марченко О.В., Кашин А.П., Лозбин В.И. Методы расчета термоэлектрических генераторов. Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН. 1995, 222 с. 6. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. М.: Машиностроение, 1966, 431с. 7. Алиева Т. Д., Ахундова Н. М., Абдинов Д. Ш. Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1997, т. 33. № 1. с. 27 - 35. 8. Покорный Е.Г., Щербина А.Г. Расчёт полупроводниковых охлаждающих устройств. Л., Наука, 1969, 206 с. 9. Симкин А. В., Бирюков А. В., Репников Н. И., Иванов О. Н. Испытание на надёжность генераторных термоэлектрических батарей, изготовленных с применением метода плазменно-дугового напыления. Термоэлектричество. 2013. № 3, с. 93 - 102. __________________ 57 ЭКОНОМИКА ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОСНОВЕ ВНЕДРЕНИЯ PLM-ТЕХНОЛОГИЙ А.И. Кукшин, д.э.н., В.И. Панферов, к.т.н., М.В. Бочкарев ФГБОУ ВПО «МГУЛ», г. Москва • В современной экономической среде научно-производственным предприятиям жизненно важно максимально эффективно использовать имеющиеся у них ресурсы, от их правильного использования зависит не только рентабельность и конкурентоспособность предприятия, но и скорость выпуска новой продукции на рынок, что в настоящее время является определяющим фактором в формировании конкурентного преимущества. Если предприятие хочет сохранить свои позиции на рынке и развиваться, использование новейших технологий и методик в области управления рано или поздно становится для него необходимостью. В настоящее время в мире есть ряд бизнес-стратегий, которые позволяют максимально эффективно использовать ресурсы предприятия и строить бизнеспроцессы таким образом, чтобы производственная цепочка была гибкой и имела прозрачную и четкую структуру. Одна из технологий, признанная во всем мире – ИПИ-технология (Информационная Поддержка Изделия) или CALS-технология (Continuous Acquisition and Life cycle Support). Это стратегия перехода на безбумажную электронную технологию и повышения эффективности бизнес-процессов за счет информационной интеграции и совместного использования информации. Она получила признание и поддержку во многих странах, в том числе и в России. Внедрение ИПИ-технологий является приоритетной задачей в развитии предприятий машиностроительных отраслей. ИПИ/CALS-технология начала формироваться в 90-х годах в США, на первоначальном этапе инициатива получила обозначение CALS (Computer Aided Logistic Support – компьютерная поддержка поставок). Доказав свою эффективность, концепция CALS начала активно применяться в промышленности, строительстве, транспорте и других отраслях экономики, расширяясь и охватывая все этапы жизненного цикла продукта – от маркетинга до утилизации. В настоящее время наблюдается постепенное улучшение экономической ситуации в России, связанное во многом с подъемом в некоторых отраслях промышленности, в том числе и на предприятиях машиностроительной индустрии. Однако возрождение возможно лишь на принципиально новой основе. Сейчас ИПИ/CALS – технологии как никогда актуальны в России, их использование – отличная возможность как для выживания российских предприятий, так и для их скорейшего развития и достижения ими мировых стандартов в производстве. Очевидно, что без них невозможен качественный прорыв в отечественной промышленности. Подход к управлению жизненным циклом систем автономной энергетики приведен на рис. 1. 58 Чтобы удержать позиции на мировом рынке наукоемкой продукции, России необходимо четко отслеживать все происходящие на нем изменения, учитывать новые требования, предъявляемые к наукоемким технологиям. Необходимо поддерживать российскую продукцию на уровне лучших мировых аналогов, адаптировать ее к специфическим условиям эксплуатации и требованиям стран-импортеров, расширять предложение по сервисным услугам с использованием ИПИ/САLS-технологий и международных стандартов, перейти от политики разовых сервисных услуг к обеспечению интегрированной логистической поддержки на всех этапах жизненного цикла продукта, путем введения «Управления жизненным циклам продукта – «Product Life Cycle Management» (PLM). ПОДХОД К УПРАВЛЕНИЮ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ СИСТЕМ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ резервные источники тока (ампульные, тепловые, водоактивируемые) термофотоэлектрические датчики датчики радиационной обстановки, включая внутриреакторный контроль автономные термоэлектрические генераторы, использующие любые источники нагрева сенсорные устройства на основе молекулярной электроники (датчики угловых и линейных ускорений, акустические датчики) термоэлектрические охлаждающие контейнеры и кондиционеры химические источники тока одноразового и многократного использования на основе различных электрохимических систем (серебро-цинк, марганец цинк, никель - цинк, двуокись свинца - кадмий или цинк, воздух - цинк или алюминий и др.) солнечные элементы и батареи космического и наземного применения Рис. 1. 1 Реализация PLM на различных технологических платформах позволяет осуществлять: - организацию эффективного сотрудничества с контрагентами (заказчиками и поставщиками) на протяжении всего жизненного цикла изделия; - управление программами и проектами; - управление данными по продукту (включая возможность создания и управления электронными каталогами готовой продукции и запасных частей); - управление качеством; - управление жизненным циклом оборудования (техобслуживание и ремонт, гарантийное и сервисное обслуживание). Таким образом, решения PLM охватывают весь процесс − от возникновения идеи до её воплощения и послепродажного обслуживания. Следует отметить очень важный факт – в рамках внедрения PLM существует возможность отслеживать затраты на протяжении всего жизненного цикла изделия (рис. 2). PLM обеспечивает эффективную поддержку для разработки новых продуктов и для их управления в течение всего жизненного цикла. С его помощью можно не только распространять информацию о продукте, но и тесно сотрудничать со всеми основными участниками процесса проектирования, производства и сопровождения продукта. Такая 59 организация производственного цикла характеризуется высокой скоростью работы, быстротой реакции на изменения рыночной конъюнктуры и ориентированностью на клиента. УПРАВЛЕНИЕ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ И СИСТЕМ НА ОСНОВЕ PLM Пример ТЭГ Мощность 600 Вт для питания автономной сейсмической станции. Рис. 2. Автономные источники питания на основе термоэлектрических генераторов ГТГ-150 Ниже показано влияние внедрения решений PLM на ключевые показатели деятельности предприятия (рис. 3). ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕШЕНИЙ PLM НА КЛЮЧЕВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЯ Операционные показатели Сокращение производственного цикла и времени на разработку продукции Ускорение обработки заказа клиента Рис. 3. Финансовые показатели уменьшение запасов минимум на 5 (готовой продукции, месяцев НЗП, материалов) на 28% уменьшение уровня неликвидов на 70% на 38% в 4 раза в 12 раз Управление бизнесом на основе отчетности, получаемой в режиме реального времени 100% сокращение периода от завершения работы до выставления счета с 8 до 3 дней Уменьшение дублирования данных в 8 раз сокращение периода финансового закрытия с 20 до 5 дней Увеличение количества обрабатываемых заказов при том же количестве работников на 50% увеличение среднего размера прибыли на 5% Решения PLM могут быть настроены в соответствии с требованиями конкретного предприятия, а так же могут расти и изменяться по мере роста его 60 потребностей. Благодаря открытой архитектуре систему можно интегрировать с рядом других программных комплексов, которые используются на различных производствах, в частности такие CAD-системы, как AutoCAD, CATIA, Pro/Engineer, SolidWorks, Autodesk Inventor, SOLID EDGE, I-DEAS, Unigraphics и многие другие. Основные преимущества, которые дает использование PLM на научнопроизводственных предприятиях: - сокращение времени выхода продукта на рынок; - рост доходов, обусловленный возможностью разработок инновационных продуктов и освоения новых возможностей рынка; снижение расходов с помощью усовершенствования управления изменениями, а так же благодаря возможности отслеживания и анализа проектов по всем линиям продуктов; - повышение качества продуктов с помощью интегрированного управления качеством, охватывающего процессы разработки продукта, производства и сопровождения; - рост удовлетворенности клиентов. __________________ 61 Сдано в набор 24.02.2014 г. Подписано в печать 5.03.2014 г. Формат 60 х 84 1/8. Бумага писчая № 0. Гарнитура «Таймс нью роман». Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 8. Заказ № 36. 62 Ушел из жизни старейший сотрудник НПП «Квант», Тимофей Александрович Тышецкий, один из основателей журнала «Автономная энергетика: технический прогресс и экономика», который вышел в свет в 1990 г. в трудные для предприятия годы. Благодаря его усилиям удалось сохранить журнал. Тимофей Александрович принимал не только самое активное участие в создании журнала, но и в подборе статей, активно работал с авторами. Светлая память о нем сохранится в наших сердцах. Редакционная коллегия 63 Адрес редакции: 129 626, Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 16. Телефон редакции: 8 (495) 687-98-44 Отпечатано в НПП «Квант» _________◊________ 64